Виктор Балабанов - Нанотехнологии. Правда и вымысел

Идея космического лифта в настоящее время кажется более осуществимой.

Космический лифт – фантастическая научно-техническая концепция специального устройства по выведению грузов и спутников на планетарную орбиту или за ее пределы с помощью высокопрочного троса, протянутого от земной поверхности к геостационарной орбитальной станции. По тросу должен двигаться подъемник, перевозящий необходимый груз. За пределами геостационарной орбиты за счет центробежной силы лифт будет ускоряться без дополнительных затрат энергии, что позволит даже отправлять его вовне планетарной орбиты. Для сбалансирования собственного веса троса со станции в противоположную сторону должен спускаться другой трос.

В 1960 году идея космического лифта была обоснована и достаточно подробно разработана ленинградским инженером Юрием Николаевичем Арцутановым.

В 1978 году один из известнейших научных фантастов Артур Кларк написал получивший широчайшую известность роман о космическом лифте «Фонтаны рая».

Кларку принадлежит и идея так называемого полулифта – троса, протянутого от аппарата на геостационарной орбите (такие спутники неподвижно расположены над заданной точкой земной поверхности на высоте 36 тыс. км) не до самой поверхности Земли, а только на половину расстояния.

Однако и конструкция космического лифта (полулифта) в той или иной степени требует применения новых высокопрочных материалов. От троса требуется сочетание высочайшей прочности на разрыв (около 20 000 МПа, тогда как у лучших легированных сталей она не превышает 1700 МПа) и малого удельного веса (плотности), ориентировочно втрое легче алюминия.

Так, стальной трос, если его подвесить над поверхностью Земли, под действием собственного веса разорвется при длине около 70 км, углеродные волокна оборвутся при высоте не более 140 км, искусственный материал кевлар продержится около 200 км, кварцевая нить выдержит более 280 км. С учетом «микротяжести» (разности между силой тяжести и центробежной силой, возникающей при вращении на орбите) максимальное натяжение намного меньше полного веса троса – реальная разрывная длина превысит указанную в 4–5 раз. По теоретическим расчетам трос из качественных углеродных нанотрубок может обладать прочностью до 400 кН/мм2.

Лишь для одного троса космического лифта потребуется около 20 млн граммов углеродных нанотрубок высокого качества. С учетом того, что в 2006 году их стоимость составляла 25 долларов за грамм, цена только одного троса в настоящее время составляет более 5 млрд долларов. Стоимость же создания всего лифта оценивается в 7-12 млрд долларов.

Поперечное сечение троса космического лифта само по себе является сложным техническим решением (рис. 48). В середину уложен легкий направляющий жгут 1 из волокон номекса или кевлара. Для передачи электрического тока на его поверхность укладывается тонкая оплетка 2 из медной проволоки, поверхность которой защищена от внешнего воздействия тефлоновым изоляционным материалом 3. Основную механическую нагрузку должен нести высокопрочный слой кевлара 4. Вся конструкция снаружи защищена от ультрафиолетового излучения еще одним слоем номекса 5. Также на поверхность могут быть нанесены различные светоотражающие защитные слои лака 6.

Рис. 48. Конструкция поперечного сечения троса космического лифта: 1 – волокна номекса или кевлара; 2 – оплетка из медной проволоки; 3 – изоляционный материал из тефлона; 4 – несущий слой кевлара; 5 – ультрафиолетовая защита из номекса; 6 – светоотражающее покрытие

При применении углеродных нанотрубок конструкция троса, возможно, будет упрощена за счет их высокой эластичности и токопроводности. При этом отпадет надобность в двух или даже трех внутренних слоях номекса, медной проволоки и тефлона. Однако требования к ультрафиолетовой защите должны быть значительно ужесточены, так как при облучении фотонами даже с энергией значительно ниже видимого света (равной 1,54 эВ) происходит разрушение структуры углеродных нанотрубок.

Будем надеяться, что технический прогресс в XXI веке позволит нам массово производить товары и машины, которые ранее были дорогостоящими, в том числе и из алмазов или наноматериалов. Например, компьютеры, сотовые телефоны и Интернет были фантастикой еще каких-нибудь 50 лет назад, роскошью – 20 лет назад, а теперь они не вызывают даже удивления ни у кого, кроме специалистов и ученых, понимающих, каких вершин мы уже достигли и что может ожидать человечество в будущем.

Еще в 1969 году Ю. Н. Арцутанов предложил не закреплять лифт на земной поверхности. Рассчитав соотношение орбитального движения и вращение связки двух спутников вокруг общего центра масс, можно в определенный момент одним из спутников «зависать» или медленно двигаться у поверхности Земли. При его прохождении над грузовым терминалом с помощью специальных устройств необходимый груз будет захватываться и выводиться на орбиту.

В 1975 году аналогичная система была повторно предложена американцем Гансом Моравеком (Hans Moravec) под названием «несинхронный космический лифт».

Еще более фантастический замысел создания лунного лифта принадлежит советскому ученому и изобретателю в области теории межпланетных полетов, реактивных двигателей и летательных аппаратов Фридриху Артуровичу Цандеру. В 1910 году Цандер предложил протянуть через точку либрации с поверхности Луны к Земле специальный трос (длиной более 60 тыс. км). Такой трос будет натянут гравитационными и центробежными силами, и по нему теоретически будет возможна перевозка грузов. Понятно, что трос будет натянут до тех пор, пока по нему не пойдет грузовой лифт, в этом случае все равно потребуются дополнительные затраты энергии и средств, кроме фантастических затрат на строительство самого троса.

В последние несколько десятилетий из-за очень высокой стоимости ракетных запусков концепцией «космического лифта» заинтересовалось Национальное аэрокосмическое агентство США (NASA). По предварительным расчетам, такой способ в будущем будет на порядок дешевле использования ракет-носителей. Впервые идея практического использования космического троса была реализована в 1966 году в спарке кораблей «Джемини-Аджена» (ленточное соединение), а затем – в 1981–1983 годах в американо-японских экспериментах с зондирующими ракетами. Также в 1987–1990 годах планировалось провести испытания полета орбитального самолета с закрепленным на нем с помощью троса спутником, который был отменен из-за аварии космического челнока «Челленджер».

Космическое агентство США уже финансирует соответствующие разработки американского Института научных исследований, включая разработку подъемника, способного автоматически перемещаться по канату. В частности, NASA недавно объявило тендер на наиболее прочный образец троса из нанотрубок и эффективный способ удаленной подзарядки роботов.

Читать дальше