Идея создания космического лифта упоминалась в научно-фантастических произведениях британского писателя Артура Чарльза Кларка еще в 1979 году. Он писал в своих романах, что абсолютно уверен в том, что однажды такой лифт будет построен.
Но первым человеком, кому пришла в голову такая странная идея, был русский инженер и основоположник российской космонавтики Константин Эдуардович Циолковский. Вдохновленный постройкой Эйфелевой башни, он предложил построить еще более высокую башню несколько тысяч километров в высоту. Циолковский предлагал заселить космическое пространство с использованием орбитальных станций, выдвинул идеи космического лифта и поездов на воздушной подушке.
Космический лифт – это звучит фантастично. Но люди в ХIХ веке также не смогли бы поверить в появление таких технических достижений, как самолет или космический корабль. Строительная корпорация «Обаяси» в Японии уже занимается разработкой технической документации для подготовки строительства космического лифта. Стоимость проекта составляет 12 млрд долларов. Строительство объекта будет завершено в 2050 году.
Потенциальная польза от применения космических лифтов достаточно высока. Все дело в том, что преодоление земного притяжения с помощью реактивной тяги нецелесообразно. Например, чтобы запустить «Шаттл» всего один раз, требуется потратить 500 млн долларов, поэтому запуски традиционных ракет-носителей станут экономически невыгодными.
Космический лифт состоит из трех основных частей: основание, трос и противовес.
Массивная платформа в океане, представляющая основание лифта, будет удерживать один конец троса из углеродистого волокна, на конце которого расположится противовес – тяжелый объект, который будет играть роль спутника, вращающегося вслед за нашей планетой и удерживаемый на орбите за счет центробежной силы. Именно по этому тросу, протянутому в небо на высоту до ста тысяч километров, и будут подниматься в космос грузы.
Чтобы доставить килограмм груза в космос с помощью ракеты, уходит до 15 тысяч долларов. Японцы подсчитали, что для доставки на орбиту груза с таким же весом они потратят… 100 долларов
Космический лифт – это тщательно проработанная идея. Например, подсчитано, что трос нельзя делать из стали. Он просто порвется под тяжестью своего веса. Материал должен быть в 90 раз прочнее и в 10 раз легче стали.
В качестве тросов инженеры собирались использовать углеродные нанотрубки, но выяснилось, что из такого материала невозможно сплести тросы большой длины.
Совсем недавно появилось изобретение, которое может, наконец, сделать фантазии о космическом лифте реальностью. Команда исследователей во главе с Джоном Баддингом из университета Пенсильвании создала ультратонкие нанонити из микроскопических алмазов, которые по прочности существенно превосходят нанотрубки и полимерные волокна.
Токийское небесное дерево — телевизионная башня в районе Сумида, самая высокая среди телебашен мира.
Руководитель научно-исследовательского подразделения компании «Обаяси» Йоджи Ишикава считает, что ноу-хау университета Пенсильвании действительно способно приблизить человечество к космосу. Он говорит, что новый материал, разумеется, должен пройти ряд испытаний на прочность, но, похоже, это именно то, что так долго искали он и его коллеги.
Компания «Обаяси» уже построила скоростные лифты для телевизионной башни высотой около 635 метров
НАСА сейчас также вплотную занимается секретной разработкой космолифта. В перспективе появится возможность доставки на орбиту частей гигантских межпланетных кораблей и их сборки в космосе. Такой проект можно реализовать только при помощи космолифта.
Но самое главное – государство, который первым построит космический лифт, на долгие столетия монополизирует сферу космических грузоперевозок.
Иллюстрация к научно – фантастическому роману Кима Стэнли Робинсона «Зеленый Марс» с изображением
космического лифта, установленного на Марсе.
Идея космического лифта будоражит умы человечества уже многие годы, с момента, когда в 1895 году русский ученый Константин Циолковский первым сформулировал понятие и концепцию. Вдохновлённый недавно построенной Эйфелевой башней, он описал отдельно стоящее сооружение, уходящее от уровня земли до геостационарной орбиты. Возвышаясь на 36 тысяч километров над экватором и следуя в направлении вращения Земли, в конечной точке с орбитальным периодом ровно в один день эта конструкция сохранялась бы в фиксированном положении.
Более подробные предложения появлялись в середине и конце 20-го века, с момента старта космической гонки, и в то время, когда пилотируемые полёты на орбиту Земли становились все более и более обыденными событиями. Возлагались надежды, что космический лифт мог бы резко сократить затраты на выход на орбиту Земли, сделав революцию в доступе к околоземному космическому пространству, к Луне, Марсу и даже далее. Однако стартовые инвестиции и уровень необходимых технологий ясно давали понять, что такой проект нецелесообразен и отводили ему место в области научной фантастики.
В первые десятилетия 21-го века к концепции начали подходить более серьёзно, так как уже сейчас разработаны технологии по . Эти протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров можно "сплетать" в нити неограниченной длины. Кроме того, этот материал обладает достаточно высокой прочностью и при этом низкой плотностью, необходимыми для создания кабеля космического лифта.
Ограничение в другом: пока углеродные нанотрубки производятся небольшими объёмами. Ни на один кабель "до неба" не хватит. В 2004 году рекордная длина одностенной нанотрубки составила всего 0,4 сантиметра, в 2006-м учёным удалось удлинить наноизделие до 7 миллиметров. В 2008 году учёным удалось сплести из нанотрубок "ковёр" длина которого доходила до 185 сантиметров, а ширина - 92 см. Однако с тех пор в этой отрасли не было каких-то новых прорывов. Эта технология весьма перспективна, но необходимы дальнейшие исследования, которые позволят усовершенствовать производственный процесс.
Между тем, учёные всего мира продолжают разрабатывать идею космического лифта. Так, японцы в начале 2012 года объявили о , в конце 2012-го . В 2013-м СМИ вспомнили о русских корнях "космического лифта" и . Так когда же подобные кажущиеся ныне сумасшедшими идеи станут реальностью?
Если опираться на принципы футурологии, использовать методы экстраполяции данных, предполагать, что общемировая динамика финансирования научной деятельности останется на прежнем уровне, учитывать политические, экономические и социальные составляющие, то можно довольно точно спрогнозировать научные открытия, примерное время создания опытного образца, внедрения технологий в массовое производство и начало использования обществом продукции на их основе. Так, например, уже более 40 лет работает закон Мура в электронике.
Футурологи подтверждают, опираясь на факты, научные работы и тенденции, что понадобится несколько десятилетий исследований для разработки новых процессов синтеза углеродных нанотрубок. Подобное открытие произойдёт ориентировочно в 2040-х годах и совершит революцию в области машиностроения и строительства. С возможностью "сплетать" миниатюрные нанотрубки в более длинные нити человечество получит материалы с высокой прочностью (в сотни раз прочнее стали и в десятки — кевлара). Кроме многих других сфер применения, станет доступной технология сооружения космического лифта. Представим, что требуемая прочность в 130 гигапаскалей достигнута, что тогда? Остаются проблемы проектирования. К примеру, нужно решить, как нейтрализовать опасные вибрации в кабеле, вызванные гравитационным притяжением от Луны и Солнца, наряду с давлением, возникающим из-за порывов солнечного ветра?
Основные правовые и финансовые трудности также должны быть преодолены. Требуются новые международные соглашения по безопасности полётов, авиационной безопасности и предоставления компенсации в случае несчастного случая или террористических инцидентов. Работа страхового механизма вызывает особую обеспокоенность, учитывая потенциал масштабов катастрофы, если что-то пойдёт не так. В промежуточный период будут построены меньшие по размеру экспериментальные сооружения, демонстрирующие основные концепции на более низких высотах. В конечном итоге это проложит дорогу к значительно более крупным конструкциям, нежели
В конце 2070-х, после 15 лет активного строительства, космический лифт, простирающийся от поверхности Земли до геостационарной орбиты, станет полностью работоспособным. Строительный процесс будет включать в себя размещение космических аппаратов в фиксированном положении на высоте 35786 километров над экватором, затем вниз будет отведён постепенно расширяющийся вниз к Земле трос. Он также будет проложен вверх от этой точки - на высоту более 47 тысяч километров, где объекты не будут подвергаться действию силы притяжения Земли. На внешнем конце троса будет расположен большой противовес, который позволит держать трос натянутым. "Опорной точкой" и местом наземной станции космического лифта, скорее всего, станут Французская Гвиана, Центральная Африка, Шри-Ланка или Индонезия.
Как и в большинстве видов транспорта и инфраструктуры конца 21-го века, космический лифт будет управляться системами и программами . Они будут постоянно комплексно следить за всеми частями конструкции и поддерживать её структуру, исправность и работоспособность. В случае необходимости на устранение проблем в кабельной сети или других компонентах лифта на всём протяжении от уровня земли до холодного вакуума космоса могут быть направлены роботы.
Космический лифт изменит космическую индустрию: люди и груз будут доставляться на орбиту со значительно более низкими затратами по сравнению с традиционными запусками ракет-носителей. Более 1000 тонн материала могут быть подняты в безвоздушное пространство с помощью лифта за один день, это больше чем вес Международной космической станции, для строительства которой потребовалось более десяти лет в начале века.
Такой подъём, конечно, занимает довольно много времени по сравнению с ракетами, но он происходит более плавно, без высоких перегрузок и без использования взрывчатых веществ. При выходе из атмосферы и достижения низкой околоземной орбиты, между 160 и 2000 километров, суда с грузом или пассажирами могут выйти на собственную орбиту вокруг Земли. Кроме того, они могут покинуть геосинхронную орбиту (надо будет лишь добавить скорости), чтобы уйти от притяжения Земли и продолжить путешествие дальше, в более удалённые места, например, к Луне или Марсу.
В последующие десятилетия дополнительные космические лифты станут функционировать за пределами Земли: на Луне, Марсе и, возможно, даже в других уголках Солнечной системы. С развитием технологий стоимость нанотрубок будет снижаться вместе с техническими рисками. Более того, строительство лифтов будет более удобным, благодаря низкой гравитации: 0,16 g на Луне и 0,38 g на Марсе.
Несмотря на то, что 2070е годы кажутся такими далёкими и недосягаемыми для многих, при существующих проблемах в науке, именно от нас с вами зависит, каким будет будущее и как быстро оно наступит.
За подготовку статьи благодарим Михаила Астахова и футурологический проект "Будущее сейчас ".
По теоретическим расчётам представляются подходящим материалом. Если допустить пригодность их для изготовления троса, то создание космического лифта является решаемой инженерной задачей, хотя и требует использования передовых разработок и . НАСА уже финансирует соответствующие разработки американского Института научных исследований, включая разработку подъёмника, способного самостоятельно двигаться по тросу . Предположительно, такой способ в перспективе может быть на порядки дешевле использования ракет-носителей .
1 / 5
✪ КОСМИЧЕСКИЙ ЛИФТ, НАШ БИЛЕТ В КОСМОС!
✪ Космический лифт на Луну | Большой скачок
✪ Космический лифт. Мечта и реальность. Или фантастика?
✪ В Канаде построят 20-километроый космический лифт
✪ Космический лифт (читает Александр Котов)
Для сравнения, прочность большинства видов стали - около 1 ГПа, и даже у прочнейших её видов - не более 5 ГПа, причём сталь тяжела. У гораздо более лёгкого кевлара прочность в пределах 2,6-4,1 ГПа, а у кварцевого волокна - до 20 ГПа и выше. Теоретическая прочность алмазных волокон может быть немного выше.
Технология плетения таких волокон ещё только зарождается.
По заявлениям некоторых учёных , даже углеродные нанотрубки никогда не будут достаточно прочны для изготовления троса космического лифта.
Эксперименты учёных из Технологического университета Сиднея позволили создать графеновую бумагу . Испытания образцов внушают оптимизм: плотность материала в пять-шесть раз ниже, чем у стали, при этом прочность на разрыв в десять раз выше, чем у углеродистой стали. При этом графен является хорошим проводником электрического тока, что позволяет использовать его для передачи мощности подъёмнику в качестве контактной шины.
В июне 2013 года инженеры из Колумбийского университета США сообщили о новом прорыве: благодаря новой технологии получения графена удается получать листы, с размером по диагонали в несколько десятков сантиметров и прочностью лишь на 10 % меньше теоретической.
Космический лифт должен выдерживать по крайней мере свой вес, весьма немалый из-за длины троса. Утолщение с одной стороны повышает прочность троса, с другой - прибавляет его вес, а следовательно и требуемую прочность. Нагрузка на него будет различаться в разных местах: в одних случаях участок троса должен выдерживать вес сегментов, находящихся ниже, в других - выдерживать центробежную силу , удерживающую верхние части троса на орбите. Для удовлетворения этому условию и для достижения оптимальности троса в каждой его точке, толщина его будет непостоянной.
Можно показать, что с учётом гравитации Земли и центробежной силы (но не учитывая меньшее влияние Луны и Солнца), сечение троса в зависимости от высоты будет описываться следующей формулой:
A (r) = A 0 exp [ ρ s [ 1 2 ω 2 (r 0 2 − r 2) + g 0 r 0 (1 − r 0 r) ] ] {\displaystyle A(r)=A_{0}\ \exp \left[{\frac {\rho }{s}}\left[{\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}\omega ^{2}(r_{0}^{2}-r^{2})+g_{0}r_{0}(1-{\frac {r_{0}}{r}})\right]\right]}Здесь A (r) {\displaystyle A(r)} - площадь сечения троса как функция расстояния r {\displaystyle r} от центра Земли.
В формуле используются следующие константы:
Это уравнение описывает трос, толщина которого сначала экспоненциально увеличивается, потом её рост замедляется на высоте нескольких земных радиусов, а потом она становится постоянной, достигнув в конце концов геостационарной орбиты. После этого толщина снова начинает уменьшаться.
Таким образом, отношение площадей сечений троса у основания и на ГСО (r = 42 164 км) есть: A (r G E O) A 0 = exp [ ρ s × 4 , 832 × 10 7 m 2 s 2 ] {\displaystyle {\frac {A(r_{\mathrm {GEO} })}{A_{0}}}=\exp \left[{\frac {\rho }{s}}\times 4,832\times 10^{7}\,\mathrm {\frac {m^{2}}{s^{2}}} \right]}
Подставив сюда плотность и прочность для различных материалов и разного диаметра троса на уровне Земли, мы получим таблицу диаметров троса на уровне ГСО. Следует учесть, что расчет велся из условия, что лифт будет стоять «сам по себе», без нагрузки - поскольку материал троса уже испытывает растяжение от собственного веса (причем эти нагрузки близки к максимально допустимым для данного материала).
| Материал | Плотность ρ {\displaystyle \rho } , кг÷м 3 | Предел прочности s {\displaystyle s} , Па | Диаметр троса на уровне Земли | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 мм | 1 см | 10 см | 1м | |||
| Сталь Ст3 горячекатаная | 7760 | 0.37·10 9 | 1.31·10 437 | 1.31·10 438 | 1.31·10 439 | 1.31·10 440 |
| Сталь высоколегированная 30ХГСА | 7780 | 1.4·10 9 | 4.14·10 113 | 4.14·10 114 | 4.14·10 115 | 4.14·10 116 |
| Паутина | 1000 | 2.5·10 9 | 0.248·10 6 | 2.48·10 6 | 24.8·10 6 | 248·10 6 |
| Современное углеволокно | 1900 | 4·10 9 | 9.269·10 6 | 92.69·10 6 | 926.9·10 6 | 9269·10 6 |
| Углеродные нанотрубки | 1900 | 90·10 9 | 2.773·10 -3 | 2.773·10 -2 | 2.773·10 -1 | 2.773 |
Таким образом, построить лифт из современных конструкционных сталей нереально. Единственный выход - искать материалы с более низкой плотностью и/или очень высокой прочностью.
Например, в таблицу включена паутина (паучий шелк). Существуют различные экзотические проекты по добыче паутины на «паучьих фермах» . В последнее время появились сообщения, что с помощью генной инженерии удалось внедрить в организм козы ген паука, кодирующий белок паутины. Теперь молоко геномодифицированной козы содержит паучий белок. Можно ли получить из этого белка материал, напоминающий паутину по своим свойствам, пока неизвестно. Но, по словам прессы, такие разработки ведутся
Ещё одно перспективное направление - углеволокно и углеродные нанотрубки . Углеволокно успешно применяется в промышленности уже сегодня. Нанотрубки обладают примерно в 20 раз большей прочностью, но технология получения этого материала пока не вышла из лабораторий . Таблица строилась из предположения, что плотность троса из нанотрубок такая же, как из углеволокна.
Ниже перечислены ещё несколько экзотических способов построения космического лифта:
Противовес может быть создан двумя способами - путём привязки тяжёлого объекта (например, астероида , космического поселения или космического дока) за геостационарной орбитой или продолжения самого троса на значительное расстояние за геостационарную орбиту. Второй вариант интересен тем, что с конца удлинённого троса проще запускать грузы на другие планеты, поскольку он обладает значительной скоростью относительно Земли.
Горизонтальная скорость каждого участка троса растёт с высотой пропорционально расстоянию до центра Земли, достигая на геостационарной орбите первой космической скорости . Поэтому при подъёме груза ему нужно получить дополнительный угловой момент (горизонтальную скорость).
Угловой момент приобретается за счёт вращения Земли. Сначала подъёмник движется чуть медленнее троса (эффект Кориолиса), тем самым «замедляя» трос и слегка отклоняя его к западу. При скорости подъёма 200 км/ч трос будет наклоняться на 1 градус. Горизонтальная компонента натяжения в невертикальном тросе тянет груз в сторону, ускоряя его в восточном направлении (см. диаграмму) - за счёт этого лифт приобретает дополнительную скорость. По третьему закону Ньютона трос замедляет Землю на небольшую величину, и противовес на существенно большую величину, в результате замедления вращения противовеса трос начнет наматываться на землю.
В то же время влияние центробежной силы заставляет трос вернуться в энергетически выгодное вертикальное положение [ ] , так что он будет находиться в состоянии устойчивого равновесия. Если центр тяжести лифта будет всегда выше геостационарной орбиты независимо от скорости подъёмников, он не упадёт.
К моменту достижения грузом геостационарной орбиты (ГСО) его угловой момент достаточен для вывода груза на орбиту. Если груз не высвободить с троса, то остановившись вертикально на уровне ГСО, он будет находиться в состоянии неустойчивого равновесия, а при бесконечно малом толчке вниз, сойдет с ГСО и начнет опускаться на Землю с вертикальным ускорением, при этом замедляясь в горизонтальном направлении. Потеря кинетической энергии от горизонтальной составляющей при спуске будет передаваться через трос угловому моменту вращения Земли, ускоряя её вращение. При толчке вверх груз также сойдет с ГСО, но в противоположном направлении, то есть начнет подниматься по тросу с ускорением от Земли, достигнув конечной скорости на конце троса. Поскольку конечная скорость зависит от длины троса, её величина таким образом может быть задана произвольно. Следует отметить, что ускорение и прирост кинетической энергии груза при подъёме, то есть его раскручивание по спирали, будут происходить за счет вращения Земли, которое при этом замедлится. Данный процесс полностью обратим, то есть если на конец троса надеть груз и начать его опускать, сжимая по спирали, то угловой момент вращения Земли соответственно увеличится.
При спуске груза будет происходить обратный процесс, наклоняя трос на восток.
На конце троса высотой в 144 000 км тангенциальная составляющая скорости составит 10,93 км/с, что более чем достаточно, чтобы покинуть гравитационное поле Земли и запустить корабли к Сатурну . Если объекту позволить свободно скользить по верхней части троса, его скорости хватит, чтобы покинуть Солнечную систему . Это произойдёт за счёт перехода суммарного углового момента троса (и Земли) в скорость запущенного объекта.
Для достижения ещё больших скоростей можно удлинить трос или ускорить груз за счёт электромагнетизма.
Космический лифт можно строить и на других планетах. Причём чем меньше сила тяжести на планете и чем быстрее она вращается, тем легче осуществить строительство.
Можно также протянуть космический лифт между двумя небесными телами, которые вращаются друг вокруг друга и постоянно повёрнуты друг к другу одной стороной (например, между Плутоном и Хароном или между компонентами двойного астероида (90) Антиопа . Однако поскольку их орбиты не являются точным кругом, потребуется устройство для постоянного изменения длины такого лифта. Лифт в этом случае можно использовать не только для вывода грузов в космос, но и для «межпланетных поездок».
Строительство ведётся с геостационарной станции. Один конец опускается к поверхности Земли, натягиваясь силой притяжения. Другой, для уравновешивания, - в противоположную сторону, натягиваясь центробежной силой. Это означает, что все материалы для строительства должны быть доставлены на геостационарную орбиту традиционным способом. То есть стоимость доставки всего космического лифта на геостационарную орбиту - минимальная цена проекта.
Предположительно, космический лифт позволит намного снизить затраты на посылку грузов в космос. Строительство космических лифтов обойдётся дорого, но их операционные расходы невелики, поэтому их разумнее всего использовать в течение длительного времени для очень больших объёмов груза. В настоящее время рынок запуска грузов недостаточно велик, чтобы оправдать строительство лифта, но резкое уменьшение цены должно привести к расширению рынка.
Пока ещё нет ответа на вопрос, вернёт ли космический лифт вложенные в него деньги или лучше будет вложить их в дальнейшее развитие ракетной техники.
Однако лифт может быть гибридным проектом и помимо функции доставки груза на орбиту оставаться базой для других научно-исследовательских и коммерческих программ, не связанных с транспортом.
В США с 2005 года проводятся ежегодные соревнования Space Elevator Games , организованные фондом Spaceward при поддержке NASA . В этих состязаниях существуют две номинации: «лучший трос» и «лучший робот (подъёмник)».
В конкурсе подъёмников робот должен преодолеть установленное расстояние, поднимаясь по вертикальному тросу со скоростью не ниже установленной правилами (в соревнованиях 2007 года нормативы были следующими: длина троса - 100 м, минимальная скорость - 2 м/с скорость которой нужно добиться 10 м/с). Лучший результат 2007 года - преодолённое расстояние в 100 м со средней скоростью 1,8 м/с.
Общий призовой фонд соревнований Space Elevator Games в 2009 году составлял 4 миллиона долларов.
В конкурсе на прочность троса участникам необходимо предоставить двухметровое кольцо из сверхпрочного материала массой не более 2 граммов, которое специальная установка проверяет на разрыв. Для победы в конкурсе прочность троса должна минимум на 50 % превосходить по этому показателю образец, уже имеющийся в распоряжении у NASA. Пока лучший результат принадлежит тросу, выдержавшему нагрузку вплоть до 0,72 тонны.
В этих соревнованиях не принимает участие компания Liftport Group, получившая известность благодаря своим заявлениям запустить космический лифт в 2018 году (позднее этот срок был перенесён на 2031 год). Liftport проводит собственные эксперименты, так в 2006 году роботизированный подъёмник взбирался по прочному канату , натянутому с помощью воздушных шаров. Из полутора километров подъёмнику удалось пройти путь лишь в 460 метров. В августе-сентябре 2012 г компания запустила проект по сбору средств на новые эксперименты с подъёмником на сайте Kickstarter . В зависимости от собранной суммы планируется подъём робота на 2 или более километров .
В LiftPort Group также заявляли о готовности построить экспериментальный космический лифт на Луне, на базе уже существующих технологий. Президент компании Майкл Лэйн утверждает, что на создание такого лифта может уйти восемь лет. Внимание к проекту заставило компанию поставить новую цель - подготовку проекта и сбор дополнительных средств на начало технико-экономического обоснования так называемого «лунного лифта». По словам Лэйна, сооружение такого лифта займет один год и обойдется в 3 миллиона долларов. На проект LiftGroup уже обратили внимание специалисты NASA. Майкл Лэйн сотрудничал с космическим ведомством США, работая над проектом космического лифта.
Космический лифт является не единственным из проектов, который использует тросы для вывода спутников на орбиту. Одним из таких проектов является Orbital Skyhook (орбитальный крюк). Skyhook использует не очень длинный, в сравнении с космическим лифтом, трос, который находится на околоземной орбите, и быстро вращается вокруг своей средней части. За счет этого один конец троса движется относительно Земли со сравнительно невысокой скоростью, и на него можно подвешивать грузы с гиперзвуковых самолётов. При этом конструкция Skyhook работает как гигантский маховик - накопитель вращательного момента и кинетической энергии. Достоинством проекта Skyhook является её реализуемость уже при существующих технологиях. Недостатком является то, что на запуск спутников Skyhook расходует энергию своего движения, и эту энергию будет необходимо как-то восполнять.
Проект Stratosphere Network of Skyscrapers (Стратосферная сеть небоскрёбов). Проект представляет собой сеть орбитальных лифтов, объединённых в шестигранники, покрывающую всю планету. При переходе на следующие этапы строительства, опоры убираются, а каркас сети лифтов используется для постройки на нём стратосферного поселения. Проект предусматривает несколько сфер обитания.
Замысел астроинженерного сооружения по выведению грузов на планетарную
орбиту или даже за её пределы.
Впервые подобную мысль высказал Константин Циолковский в 1895 году
, детальную разработку идея получила в трудах
Юрия Арцутанова. Гипотетическая конструкция основана на применении
троса, протянутого от поверхности
планеты к орбитальной
станции находящейся на ГСО.
Предположительно, такой способ в перспективе
может быть на порядки
дешевле использования ракет-носителей.
Трос удерживается одним концом на поверхности
планеты (Земли), а другим
- в неподвижной
над планетой точке выше геостационарной орбиты (ГСО) за счёт
центробежной силы. По тросу
поднимается подъёмник, несущий полезный груз. При подъёме
груз будет ускоряться за счёт
вращения Земли, что позволит на достаточно
большой высоте отправлять его за пределы
тяготения Земли.
От троса требуется чрезвычайно большая прочность на разрыв
в сочетании
с низкой
плотностью. Углеродные нанотрубки по теоретическим расчётам представляются подходящим материалом. Если допустить
пригодность их для
изготовления троса, то создание космического лифта является решаемой инженерной задачей, хотя и требует
использования передовых разработок и больших
затрат иного рода. Создание лифта оценивается в 7-12 млрд долларов США. НАСА уже
финансирует соответствующие разработки американского Института научных исследований, включая разработку подъёмника, способного самостоятельно двигаться по тросу.
Содержание [убрать]
1 Конструкция
1.1 Основание
1.2 Трос
1.2.1 Утолщение троса
1.3 Подъёмник
1.4 Противовес
1.5 Угловой момент, скорость и наклон
1.6 Запуск в космос
2 Строительство
3 Экономика
космического лифта
4 Достижения
5 Литература
6 Космический
лифт в различных
произведениях
7 См.
также
8 Примечания
9 Ссылки
9.1 Организации
9.2 Разное
Конструкция
Есть несколько вариантов конструкции. Почти все они включают основание (базу), трос (кабель), подъёмники и противовес.
Основание
Основание космического лифта - это место на поверхности
планеты, где прикреплён трос и начинается
подъём груза. Оно может
быть подвижным, размещённым на океанском
судне.
Преимущество подвижного основания - возможность совершения маневров для уклонения от ураганов
и бурь.
Преимущества стационарной базы - более дешёвые и доступные
источники энергии, и возможность
уменьшить длину троса. Разница в несколько
километров троса сравнительно невелика, но может
помочь уменьшить требуемую толщину его средней части и длину
части, выходящей за геостационарную
орбиту.
Трос
Трос должен быть изготовлен из материала
с чрезвычайно
высоким отношением предела прочности к удельной
плотности. Космический лифт будет экономически оправдан, если можно будет производить в промышленных
масштабах за разумную
цену трос плотности, сравнимой с графитом,
и прочностью
около 65–120 гигапаскалей.
Для сравнения, прочность большинства видов стали - около 1 ГПа,
и даже
у прочнейших
её видов
- не более
5 ГПа,
причём сталь тяжела. У гораздо
более лёгкого кевлара прочность в пределах
2,6-4,1 ГПа, а у кварцевого
волокна - до 20 ГПа
и выше.
Теоретическая прочность алмазных волокон может быть немногим выше.
Углеродные нанотрубки должны, согласно теории, иметь растяжимость гораздо выше, чем требуется для космического лифта. Однако технология их получения
в промышленных
количествах и сплетения
их в кабель
только начинает разрабатываться. Теоретически их прочность
должна быть более 120 ГПа,
но на практике
самая высокая растяжимость однослойной нанотрубки была 52 ГПа,
а в среднем
они ломались в диапазоне
30–50 ГПа.
Самая прочная нить, сплетённая из нанотрубок,
будет менее прочной, чем ее компоненты.
Исследования по улучшению чистоты материала трубок и по созданию разных их видов
продолжаются.
В большинстве проектов космического лифта применяются однослойные нанотрубки. У многослойных
выше прочность, но они
тяжелее, и их отношение
прочности к плотности
ниже. Возможный вариант - использовать соединение однослойных нанотрубок под высоким давлением. При этом
хотя и теряется
прочность из-за замещения
sp²-связи (графит, нанотрубки) на sp³-связь (алмаз), они будут лучше удерживаться в одном
волокне силами Ван-дер-Ваальса
и дадут
возможность производить волокна произвольной длины.[источник не указан
810 дней]
Дефекты кристаллической решётки снижают прочность нанотрубок
В эксперименте учёных из Университета
Южной Калифорнии (США) однослойные углеродные нанотрубки продемонстрировали удельную прочность, в 117 раз
превышающую показатели стали и в 30 -
кевлар. Удалось выйти на показатель
в 98,9 ГПа, максимальное значение длины нанотрубки составило 195 мкм.
Технология плетения таких волокон ещё только зарождается.
По заявлениям некоторых учёных, даже углеродные нанотрубки никогда не будут
достаточно прочны для изготовления троса космического лифта.
Эксперименты ученых из Технологического
университета Сиднея позволили создать графеновую бумагу. Испытания образцов внушают оптимизм: плотность материала в пять-шесть
раз ниже, чем у стали,
при этом прочность на разрыв
в десять
раз выше, чем у углеродистой
стали. При этом
графен является хорошим проводником электрического тока, что позволяет использовать его для передачи мощности подъемнику, в качестве
контактной шины.
Утолщение троса
Проверить информацию.
Космический лифт должен выдерживать по крайней мере свой вес, весьма немалый из-за длины
троса. Утолщение с одной
стороны повышает прочность троса, с другой
- прибавляет его вес, а следовательно
и требуемую
прочность. Нагрузка на него
будет различаться в разных
местах: в одних
случаях участок троса должен выдерживать вес сегментов, находящихся ниже, в других
- выдерживать центробежную силу, удерживающую верхние части троса на орбите.
Для удовлетворения
этому условию и для
достижения оптимальности троса в каждой
его точке, толщина его будет непостоянной.
Можно показать, что с учётом
гравитации Земли и центробежной
силы (но не учитывая
меньшее влияние Луны и Солнца),
сечение троса в зависимости
от высоты
будет описываться следующей формулой:
Здесь A ® - площадь сечения троса как функция расстояния r от центра
Земли.
В формуле используются следующие константы:
A0 - площадь сечения троса на уровне
поверхности Земли.
ρ - плотность материала троса.
s - предел прочности материала троса.
ω - круговая частота вращения Земли вокруг своей оси, 7,292×10−5 радиан в секунду.
r0 - расстояние между центром Земли и основанием
троса. Оно приблизительно
равно радиусу Земли, 6 378
км.
g0 - ускорение свободного падения у основания
троса, 9,780 м/с².
Это уравнение описывает трос, толщина которого сначала экспоненциально увеличивается, потом её рост
замедляется на высоте
нескольких земных радиусов, а потом
она становится постоянной, достигнув в конце
концов геостационарной орбиты. После этого толщина снова начинает уменьшаться.
Таким образом, отношение площадей сечений троса у основания
и на ГСО
(r = 42 164
км) есть:
Подставив сюда плотность и прочность
стали и диаметр
троса на уровне
Земли в 1 см,
мы получим
диаметр на уровне
ГСО в несколько
сот километров, что означает, что сталь и прочие
привычные нам материалы непригодны для строительства лифта.
Отсюда следует, что есть четыре способа добиться более разумной толщины троса на уровне
ГСО:
Использовать менее плотный материал. Поскольку плотность большинства твёрдых тел лежит в относительно
небольшом диапазоне от 1000 до
5000 кг/м³,
здесь вряд ли
получится чего-то
добиться.
Использовать более прочный материал. В этом
направлении в основном
и идут
исследования. Углеродные нанотрубки в десятки
раз прочнее лучшей стали, и они
позволят значительно уменьшить толщину троса на уровне
ГСО.
Поднять повыше основание троса. Из-за наличия
экспоненты в уравнении
даже небольшое поднятие основания позволит сильно понизить толщину троса. Предлагаются башни высотой до 100 км
, которые, кроме экономии на тросе,
позволят избежать влияния атмосферных процессов.
Сделать основание троса как можно тоньше. Он все
равно должен быть достаточно толстым, чтобы выдержать подъёмник с грузом,
так что минимальная толщина у основания
также зависит от прочности
материала. Тросу из углеродных
нанотрубок достаточно иметь у основания
толщину всего в один
миллиметр.
Ещё способ - сделать основание лифта подвижным. Движение даже со скоростью
100 м/с уже
даст выигрыш в круговой
скорости на 20% и сократит
длину кабеля на 20-25%, что облегчит его на 50 и более
процентов. Если же
«заякорить» кабель на сверхзвуковом[источник
не указан
664 дня]
самолёте, или поезде, то выигрыш в массе
кабеля уже будет измеряться не процентами,
а десятками
раз (но не учтены
потери на сопротивление
воздуха).
Подъёмник
Проверить информацию.
Необходимо проверить точность фактов и достоверность
сведений, изложенных в этой
статье.
На странице обсуждения должны быть пояснения.
Стиль этого раздела неэнциклопедичен или нарушает нормы русского языка.
Следует исправить раздел согласно стилистическим правилам Википедии.
Концептуальный рисунок космического лифта, поднимающегося через облака
Космический лифт не может
работать как обычный лифт (с движущимися
тросами), поскольку толщина его троса непостоянна. Большинство проектов предлагает использовать подъёмник, забирающийся вверх по неподвижному тросу, хотя предлагались также варианты использования небольших сегментированных подвижных тросов, протянутых вдоль основного троса.
Предлагаются различные способы конструкции подъёмников. На плоских
тросах можно использовать пары роликов, держащихся за счёт
силы трения. Другие варианты - движущиеся спицы с крючками
на пластинах,
ролики с выдвижными
крючками, магнитная левитация (маловероятна, поскольку на тросе
придётся закреплять громоздкие пути) и пр.[источник
не указан
661 день]
Серьёзная проблема конструкции подъёмника - источник энергии[источник не указан
661 день].
Плотность хранения энергии вряд ли
когда-либо
будет достаточно велика, чтобы подъёмнику хватило энергии на подъем
по всему кабелю. Возможные внешние источники энергии - лазерные или микроволновые лучи. Другие варианты - использование энергии торможения подъёмников, движущихся вниз; разница в температурах
тропосферы; ионосферный разряд и т.д.
Основной вариант[источник не указан
661 день]
(лучи энергии) обладает серьёзными проблемами, связанными с эффективностью
и диссипацией
тепла на обоих
концах, хотя, если оптимистично относиться к будущим
технологическим достижениям, он реализуем.
Подъёмники должны следовать на оптимальной
дистанции друг за другом,
чтобы минимизировать нагрузку на трос
и его
осцилляции и максимизировать
пропускную способность. Самая ненадёжная область троса - вблизи его основания; там не должно
находиться более одного подъёмника[источник не указан
661 день].
Подъёмники, движущиеся только вверх, позволят увеличить пропускную способность, но не дадут
использовать энергию торможения при движении вниз, а также
не смогут
возвращать людей на землю.
Кроме того, компоненты таких подъёмников должны использоваться на орбите
для других целей. В любом
случае, маленькие подъёмники лучше больших, потому что расписание их движения
будет более гибким, но они
накладывают больше технологических ограничений.
Кроме того, сама нить лифта будет постоянно испытывать на себе
действие как силы Кориолиса, так и атмосферных
потоков. Мало того,
поскольку «подъёмник» должен быть расположен выше высоты геостационарной орбиты, он будет
подвержен постоянным нагрузкам, в том
числе пиковым, например, рывковым[источник не указан
579 дней].
Тем не менее,
если вышеизложенные препятствия могут быть каким-либо
образом устранены, то космический лифт может быть реализован. Однако такой проект будет крайне дорогостоящим, но в будущем,
возможно, будет конкурировать с одноразовыми
и многоразовыми
космическим аппаратами[источник не указан
579 дней].
Противовес
В этой статье не хватает
ссылок на источники
информации.
Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные
источники.
Эта отметка стоит на статье
с 13 мая
2011.
Противовес может быть создан двумя способами - путём привязки тяжёлого объекта (например, астероида) за геостационарной
орбитой или продолжения самого троса на значительное
расстояние за геостационарную
орбиту. Второй вариант пользуется большей популярностью в последнее
время, поскольку его легче осуществить, а кроме
того, с конца
удлинённого троса проще запускать грузы на другие
планеты, поскольку он обладает
значительной скоростью относительно Земли.
Угловой момент, скорость и наклон
Проверить информацию.
Необходимо проверить точность фактов и достоверность
сведений, изложенных в этой
статье.
На странице обсуждения должны быть пояснения.
Эта статья или раздел нуждается в переработке.
Пожалуйста, улучшите статью в соответствии
с правилами
написания статей.
В этой статье не хватает
ссылок на источники
информации.
Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные
источники.
Эта отметка стоит на статье
с 13 мая
2011.
При движении подъёмника вверх лифт наклоняется на 1 градус,
поскольку верхняя часть лифта движется вокруг Земли быстрее, чем нижняя (эффект Кориолиса). Масштаб не сохранен
Горизонтальная скорость каждого участка троса растет с высотой
пропорционально расстоянию до центра
Земли, достигая на геостационарной
орбите первой космической скорости. Поэтому при подъёме груза ему нужно получить дополнительный угловой момент (горизонтальную скорость).
Угловой момент приобретается за счёт
вращения Земли. Сначала подъёмник движется чуть медленнее троса (эффект Кориолиса), тем самым «замедляя» трос и слегка
отклоняя его к западу.
При скорости
подъёма 200 км/ч
трос будет наклоняться на 1 градус.
Горизонтальная компонента натяжения в невертикальном
тросе тянет груз в сторону,
ускоряя его в восточном
направлении (см. диаграмму)
- за счёт
этого лифт приобретает дополнительную скорость. По третьему
закону Ньютона трос замедляет Землю на небольшую
величину.
В то же
время влияние центробежной силы заставляет трос вернуться в энергетически
выгодное вертикальное положение, так что он будет
находиться в состоянии
устойчивого равновесия. Если центр
тяжести лифта будет всегда выше геостационарной орбиты независимо от скорости
подъёмников, он не упадет.
К моменту достижения грузом ГСО его угловой момент (горизонтальная скорость) достаточна для вывода груза на орбиту.
При спуске груза будет происходить обратный процесс, наклоняя трос на восток.
Запуск в космос
На конце троса высотой в 144 000
км тангенциальная составляющая скорости составит 10,93 км/с, что более чем достаточно, чтобы покинуть гравитационное поле Земли и запустить
корабли к Сатурну.
Если объекту
позволить свободно скользить по верхней части троса, его скорости хватит, чтобы покинуть Солнечную систему. Это произойдет
за счёт
перехода суммарного углового момента троса (и Земли)
в скорость
запущенного объекта.
Для достижения ещё больших скоростей можно удлинить трос или ускорить груз за счёт
электромагнетизма.
Строительство
Строительство ведётся с геостационарной
станции. Это единственное
место, где может причалить космический аппарат. Один конец
опускается к поверхности
Земли,натягиваясь силой притяжения. Другой, для уравновешивания,-
в противоположную
сторону, натягиваясь центробежной силой. Это означает,
что все материалы для строительства должны быть подняты на геостационарную
орбиту традиционным способом, независимо от места
назначения груза. То есть,
стоимость подъёма всего космического лифта на геостационарную
орбиту -
минимальная цена проекта.
Экономика космического лифта
Предположительно, космический лифт позволит намного снизить затраты на посылку
грузов в космос.
Строительство космических лифтов обойдётся дорого, но их операционные
расходы невелики, поэтому их разумнее
всего использовать в течение
длительного времени для очень больших объёмов груза. В настоящее
время рынок запуска грузов может быть недостаточно велик, чтобы оправдать строительство лифта, но резкое
уменьшение цены должно привести к большему
разнообразию грузов. Таким же
образом оправдывает себя прочая транспортная инфраструктура - шоссе и железные
дороги.
Стоимость разработки лифта сравнима со стоимостью
разработки космического челнока[источник не указан
810 дней].
Пока ещё
нет ответа на вопрос,
вернет ли
космический лифт вложенные в него
деньги или лучше будет вложить их в дальнейшее
развитие ракетной техники.
Не следует забывать о лимите
количества спутников-ретрансляторов на геостационарной
орбите: в настоящее
время международными соглашениями допускается 360 спутников
- один ретранслятор на угловой
градус, во избежание
помех при трансляции в полосе
Ku-частот.
Для C-частот
число спутников ограничено 180.
Таким образом, космический лифт минимально пригоден для массовых запусков на геостационарную
орбиту[источник не указан
554 дня]
и максимально
пригоден для освоения внешнего космоса и Луны
в частности.
Данное обстоятельство объясняет настоящую коммерческую несостоятельность проекта, так как основные финансовые затраты негосударственных организаций ориентированы на спутники-ретрансляторы,
занимающие либо геостационарную орбиту (телевидение, связь), либо более низкие орбиты (системы глобального позиционирования, наблюдения за природными
ресурсами и т.п.).
Однако лифт может быть гибридным проектом и помимо
функции доставки груза на орбиту
оставаться базой для других научно-исследовательских и коммерческих
программ, не связанных
с транспортом.
Достижения
В США с 2005 года
проводятся ежегодные соревнования Space Elevator Games, организованные фондом Spaceward при поддержке NASA. В этих
состязаниях существуют две номинации: «лучший трос» и «лучший робот (подъёмник)».
В конкурсе подъёмников робот должен преодолеть установленное расстояние, поднимаясь по вертикальному тросу со скоростью
не ниже
установленной правилами (в соревнованиях
2007 года
нормативы были следующими: длина троса - 100 м,
минимальная скорость - 2 м/с).
Лучший результат 2007 года
- преодолённое расстояние в 100 м
со средней
скоростью 1,8 м/с.
Общий призовой фонд соревнований Space Elevator Games в 2009 году
составлял 4 миллиона
долларов.
В конкурсе на прочность
троса участникам необходимо предоставить двухметровое кольцо из сверхпрочного
материала массой не более
2 грамм,
которое специальная установка проверяет на разрыв.
Для победы
в конкурсе
прочность троса должна минимум на 50% превосходить по этому показателю образец, уже имеющийся в распоряжении
у NASA.
Пока лучший
результат принадлежит тросу, выдержавшему нагрузку вплоть до 0,72 тонны.
В этих соревнованиях не принимает
участие компания Liftport Group, получившая известность благодаря своим заявлениям запустить космический лифт в 2018 году
(позднее этот срок был перенесён на 2031 год).
Liftport проводит собственные эксперименты, так в 2006 году
роботизированный подъёмник взбирался по прочному канату, натянутому с помощью
воздушных шаров. Из полутора
километров подъёмнику удалось пройти путь лишь в 460 метров.
Следующим этапом компания планирует провести испытания на тросе
высотой 3 км.
На соревнованиях Space Elevator Games с 4 по
6 ноября
2009 года
прошло состязание, организованное Spaceward Foundation и NASA,
в Южной
Калифорнии, на территории
центра Драйдена (Dryden Flight Research Center), в границах
знаменитой авиабазы Эдвардс. Зачётная длина троса составила 900 метров,
трос был поднят при помощи вертолета. Лидерство заняла компания LaserMotive представившая подъемник со скоростью
3,95 м/с, что очень близко к требуемой
скорости. Всю длину
троса лифт преодолел за 3 минуты
49 секунд,
на себе
лифт нес полезную нагрузку 0,4кг..
В августе 2010 года
компания LaserMotive провела демонстрацию своего последнего изобретения на AUVSI
Unmanned Systems Conference в Денвере,
штат Колорадо. Новый вид лазера поможет более экономично передавать энергию на большие
расстояния, лазер потребляет всего несколько ватт.
Литература
Юрий Арцутанов «В космос - на электровозе»,
газета «Комсомольская правда» от 31 июля
1960 года.
Александр Болонкин «Non-Rocket
Space Launch and Flight», Elsevier, 2006, 488 pgs.
http://www.scribd.com/doc/24056182
Космический лифт в различных
произведениях
Одно из знаменитых
произведений Артура Кларка, Фонтаны рая, основано на идее
космического лифта. Кроме того, космический лифт фигурирует и в заключительной
части его знаменитой тетралогии Космическая Одиссея (3001: Последняя одиссея).
В Battle Angel фигурирует циклопический космический лифт, на одном
конце которого находится Небесный Город Салем (для граждан) вместе с нижним
городом (для не-граждан),
а на другом
конце находится космический город Йеру. Аналогичная конструкция находится и на другой
стороне Земли.
В сериале «Звёздный путь: Вояджер» в эпизоде
3×19 «Rise» (Подъем) космический лифт помогает экипажу вырваться с планеты
с опасной
атмосферой.
В игре Civilization IV есть
космический лифт. Там он
- одно из поздних
«Больших чудес».
В фантастическом романе Тимоти Зана «Шелкопряд» («Spinneret», 1985) упоминается планета способная производить супер волокно. Одна из рас
заинтересовавшаяся планетой хотела получить это волокно именно для строительства космического лифта.
В дилогии Сергея Лукьяненко «Звёзды - холодные игрушки» одна из внеземных
цивилизаций в процессе
межзвёздной торговли поставила на Землю
сверхпрочные нити, которые могли бы
быть использованы для строительства космического лифта. Но внеземные
цивилизации настаивали исключительно на использовании
их по прямому назначению - для помощи при проведении родов.
В аниме Mobile Suit Gundam 00 присутствуют
три космических лифта, на них
так же
крепится кольцо из солнечных
батарей, что позволяет использовать космический лифт ещё и для
добычи электроэнергии.
В аниме Z.O.E. Dolores
присутствует космический лифт, а также
показано что может быть в случае
теракта.
В фантастическом романе Дж. Скальци «Обреченные на победу»
(англ. Scalzi, John. Old Man’s
War) системы космических лифтов активно используются на Земле,
многочисленных земных колониях и некоторых
планетах других высокоразвитых разумных рас для сообщения с причалами
межзвёздных кораблей.
В фантастическом романе Александра Громова «Завтра наступит вечность» сюжет построен вокруг факта существования космического лифта. Существует два устройства - источник и приемник,
которые посредством «энергетического луча» способны поднимать «кабину» лифта на орбиту.
В фантастическом романе Аластера Рейнольдса «Город Бездны» дается подробное описание строения и функционирования
космического лифта, описан процесс его разрушения (в результате
теракта).
В фантастическом романе Терри Пратчетта «Страта» присутствует «Линия» -
сверхдлинная искусственная молекула, используемая в качестве
космического лифта.
Упоминается в песне
группы Звуки Му «Лифт на небо»
Космический лифт упоминается в аниме-сериале
Кровь Триединства, в нём
противовесом служит космический корабль «Arc».
В самом начале игры Sonic Colors, можно видеть, как Соник и Теилз
поднимаются на космическом
лифте, чтобы попасть в Парк
Доктора Эггмана
См. также
Космическая пушка
Пусковая петля
Космический фонтан
Примечания
http://galspace.spb.ru/nature.file/lift.html Космический лифт и нанотехнологии
В космос - на лифте!
// KP.RU
Орбиты космического лифта Общественно-политический и научно-популярный
журнал «Российский космос» № 11, 2008
Углеродные нанотрубки на два
порядка прочнее стали
MEMBRANA | Мировые новости | Нанотрубки не выдержат
космический лифт
Новая графеновая бумага оказалась прочнее стали
Лемешко Андрей Викторович. Космический лифт Лемешко А.В./
Space lift Lemeshko A.V
en:Satellite television#Technology
Лифт на небо
поставил рекорды с прицелом
на будущее
Разработан лазер, который сможет питать космические лифты
LaserMotive to Demonstrate Laser-Powered
Helicopter at the AUVSI’s Unmanned Systems North America 2010
