Космічний ліфт, наука, fandom powered by wikia

Космічний ліфт - задум пристрої виведення вантажів на планетарну орбіту або за її межі. Заснований на застосуванні троса, простягнутого від поверхні планети до орбітальної станції. Імовірно, такий спосіб в перспективі на кілька порядків дешевше використання ракет-носіїв.

Трос буде утримуватися одним кінцем на поверхні планети (Землі), а іншим - в нерухомій над планетою точці вище геостаціонарної орбіти за рахунок відцентрової сили. За тросу підіймається підйомник. із вантажем. За межами геостаціонарної орбіти вантаж буде прискорюватися, що дозволить навіть відправляти його планетарної орбіти.

конструкція Правити

Є кілька варіантів конструкції. Майже всі вони включають підставу (базу), трос (кабель), підйомники і противагу.

підстава Правити

Підстава космічного ліфта - це місце на поверхні планети, де прикріплений трос і починається підйом вантажу. Воно може бути рухомим, розміщеному на океанському судні. Пропонувалися і літаючі бази. [?]

Перевага рухомої основи - можливість здійснення маневрів для ухилення від ураганів, бур і падіння метеоритів. Переваги стаціонарної бази - більш дешеві й доступні джерела енергії, і можливість зменшити довжину троса. Різниця в кілька кілометрів троса порівняно невелика, але може допомогти зменшити необхідну товщину його середній частині і довжину частини, яка виходить за геостаціонарну орбіту.

трос Правити

Трос повинен бути зроблений з матеріалу з надзвичайно високим відношенням розтяжності (межі міцності на розрив) до щільності. Космічний ліфт буде економічно виправданий, якщо можна буде виробляти в промислових масштабах за розумну ціну трос щільності, порівнянної з графітом. і розтяжністю близько 65-120 гігапаскалів.

Для порівняння, розтяжність більшості видів стали - близько 1 ГПа, і навіть у міцних її видів - не більше 5 ГПа, причому сталь важка. У набагато більш легкого кевлара розтяжність є в межах 2,6-4,1 ГПа, а у кварцового волокна - до 20 ГПа і вище. Теоретична міцність алмазних волокон буде трохи вище.

Вуглецеві нанотрубки повинні, відповідно до теорії, мати розтяжність набагато вище, ніж потрібно для космічного ліфта. Однак технологія їх отримання в промислових кількостях і сплетіння їх в кабель тільки починає розроблятися. Теоретично їх розтяжність повинна бути більше 120 ГПа, на на практиці найвища розтяжність одношарової нанотрубки була 52 ГПа, а в середньому вони ламалися в діапазоні 30-50 ГПа. Сама міцна нитка, пов'язана з нанотрубок, буде менш міцною, ніж її компоненти. Потрібно продовжувати дослідження з поліпшення чистоти матеріалу трубок і по створенню різних їх видів.

У більшості проектів космічного ліфта застосовуються одношарові нанотрубки. У багатошарових вище еластичність, але вони важче, і їхнє ставлення розтяжності до щільності нижче. Можливий варіант - використовувати з'єднання одношарових нанотрубок під високим тиском. При цьому хоча і втрачається еластичність через заміщення sp²-зв'язку (графіт, нанотрубки) на sp³-зв'язок (алмаз), вони будуть краще утримуватися в одному волокні силами Ван-дер-Ваальса і дадуть можливість виробляти волокна довільної довжини.

За заявами деяких вчених, [2] навіть вуглецеві нанотрубки ніколи не будуть достатньо міцні для виготовлення троса космічного ліфта.

Потовщення троса Правити

Космічний ліфт повинен витримувати принаймні свою вагу, досить чималий через довжину троса. Потовщення з одного боку підвищує міцність троса, з іншого - додає його вага, а отже і необхідну міцність. Навантаження на нього буде відрізнятися в різних місцях: в одних випадках ділянку кабелю повинен витримувати вагу сегментів, що знаходяться нижче, в інших - надавати доцентрову силу. яка утримує верхні частини троса на орбіті. Для задоволення цій умові і для досягнення оптимальності троса в кожній його точці, товщина його буде непостійною.

Можна показати, що з урахуванням гравітації Землі і відцентрової сили (але не враховуючи менший вплив Місяця і Сонця), перетин кабелю в залежності від висоти буде описуватися наступною формулою:

Тут - площа перетину кабелю як функція відстані від центру землі.

У формулі використовуються наступні константи:

- площа перетину кабелю на рівні поверхні землі.
- щільність матеріалу кабелю.
- розтяжність матеріалу кабелю.
- кругова частота обертання землі навколо своєї осі, 7.292 × 10 -5 радіан в секунду.
- відстань між центром землі і підставою кабелю. Воно приблизно дорівнює радіусу землі, 6378 км /
- прискорення вільного падіння біля основи кабелю, 9.780 м / с?.

Це рівняння описує кабель, товщина якого спочатку експоненціально збільшується, потім її зростання сповільнюється на висоті кількох земних радіусів, а потім вона стає постійною, досягнувши в кінці кінців геостаціонарної орбіти. Після цього товщина знову починає зменшуватися.

Таким чином, різниця між товщиною кабелю біля основи і на ДСО (r = 42,164 км) є

Підставивши сюди щільність і еластичність стали і діаметр на рівні землі в 1 см, ми отримаємо діаметр на рівні ДСО в кілька сот кілометрів, що означає, що сталь і інші звичні нам матеріали непридатні для будівництва ліфта.

Звідси випливає, що є чотири способи домогтися більш розумною товщини кабелю на рівні ДСО:

Використовувати менш щільний матеріал. Оскільки щільність більшості твердих тіл лежить у відносно невеликому діапазоні від 1000 до 5000 кг / м², тут навряд чи вийде чогось досягти.
Використовувати більш міцний матеріал. На цьому напрямку в основному і йдуть дослідження. Вуглецеві нанотрубки в десятки разів міцніше кращою стали, і вони дозволять значно зменшити товщину кабелю на рівні ДСО.
Підняти вище підставу кабелю. Через наявність експоненти в рівнянні навіть невелике підняття підстави дозволити сильно знизити товщину кабелю. Пропонуються вежі висотою до 100 км, які, крім економії на кабелі, дозволять уникнути впливу атмосферних процесів.
Зробити підставу кабелю якомога тонше. Він все одно повинен бути досить товстим, щоб витримати підйомник з вантажем, так що мінімальна товщина біля основи також залежить від розтяжності матеріалу. Кабелю з вуглецевих нанотрубок досить мати біля основи товщину всього в один міліметр.

Ще спосіб - зробити підставу Ліфта рухомим. Рух навіть зі швидкістю 100 м / с вже дасть виграш в кругової швидкості на 20%, і скоротить довжину кабелю на 20-25%, що полегшить його на 50 і більше відсотків. Якщо ж 'заякорити' кабель на надзвуковому літаку, то виграш в масі кабелю вже буде вимірюватися не відсотками, а десятками раз.

підйомник Правити

Космічний ліфт не може працювати, як звичайний ліфт (з рухомими кабелями), оскільки товщина його кабелю непостійна. Більшість проектів пропонує використовувати підйомник, забирають вгору по нерухомому кабелю, хоча пропонувалися також варіанти використання невеликих сегментованих рухомих кабелів, простягнутих вздовж основного кабелю.

Пропонуються різні способи конструкції підйомників. На плоских кабелях можна використовувати пари роликів, що тримаються за рахунок сили тертя. Інші варіанти - рухомі спиці з гачками на пластинах, ролики з висувними гачками, магнітна левітація (малоймовірна, оскільки на кабелі доведеться мати громіздкі шляху) та ін.

Серйозна проблема конструкції підйомника - джерело енергії. Щільність зберігання енергії навряд чи коли-небудь буде досить велика, щоб підйомника вистачило енергії на підйом по всьому кабелю. Можливі зовнішні джерела енергії - лазерні або мікрохвильові промені. Інші варіанти - використання енергії гальмування підйомників, що рухаються вниз; різниця в температурах тропосфери; іоносферний розряд і т. д. Основний варіант (промені енергії) володіє серйозними проблемами, пов'язаними з ефективністю і диссипацией тепла на обох кінцях, хоча якщо оптимістично ставитися до майбутніх технологічним досягненням, він реалізуємо.

Підйомники повинні слідувати на оптимальної дистанції один за одним, щоб мінімізувати навантаження на кабель і його осциляції і максимізувати пропускну здатність. Найбільш ненадійна область кабелю - поблизу його заснування; там не повинно знаходитися більше одного підйомника. Підйомники, що рухаються тільки вгору, дозволять збільшити пропускну здатність, але не дадуть використати енергію гальмування при русі вниз, а також не зможуть повертати людей на землю. Крім того, компоненти таких підйомників повинні використовуватися на орбіті для інших цілей. У будь-якому випадку, маленькі підйомники краще великих, тому що розклад їх руху буде гнучкіша, але вони накладають більше технологічних обмежень.

противагу Правити

Противагу може бути створений двома способами - шляхом прив'язки важкого об'єкта (наприклад, астероїда) за геостаціонарній орбітою або продовження самого кабелю на значну відстань за геостаціонарну орбіту. Другий варіант користується більшою популярністю останнім часом, оскільки його легше здійснити, а крім того, з кінця подовженого кабелю простіше запускати вантажі на інші планети, оскільки він володіє значною швидкістю відносно Землі.

Кутовий момент, швидкість і нахил Правити

Горизонтальна швидкість кожної ділянки кабелю зростає з висотою пропорційно відстані до центру землі, досягаючи на геостацінарной орбіті Першої космічної швидкості. Тому при підйомі вантажу йому потрібно отримати додатковий кутовий момент (горизонтальну швидкість).

Кутовий момент купується за рахунок обертання землі. Спочатку підйомник рухається трохи повільніше кабелю (ефект Коріоліса), тим самим «сповільнюючи» кабель і відхиляючи його трохи на захід. При швидкості підйому 200 км / ч кабель буде нахилятися на 1 градус. Горизонтальна компонента натягу в невертикальною кабелі тягне вантаж в сторону, прискорюючи його в східному напрямку (див. Діаграму) - за рахунок цього ліфт набуває додаткової швидкість. За третім законом Ньютона кабель уповільнює землю на дуже малу величину.

У той же час вплив відцентрової сили змушує кабель повернутися в енергетично вигідне горизонтальне положення, так що він буде перебувати в стані стійкої рівноваги. Якщо центр ваги ліфта буде завжди вище геостаціонарної орбіти незалежно від швидкості підйомників, він не впаде.

До моменту досягнення вантажем ДСО його кутовий момент (горизонтальна швидкість) достатня для виведення вантажу на орбіту.

При спуску вантажу відбуватиметься зворотний процес, нахиляючи кабель на схід.

Запуск в космос Правити

На кінці вежі Пірсона (див нижче) висотою в 144 000 км тангенціальна складова швидкості складе 10,93 км / с, що більш ніж достатньо для покидання гравітаційного поля землі і запуску кораблів до Сатурну. Якщо об'єкту дозволити вільно ковзати по верхній частині вежі, його швидкості вистачить для покидання сонячної системи. Це станеться за рахунок переходу сумарного кутового моменту вежі (і Землі) в швидкість запущеного об'єкта.

Для досягнення ще більших швидкостей можна подовжити кабель або прискорити вантаж за рахунок електромагнетизму.

Економіка космічного ліфта Правити

Імовірно, космічний ліфт дозволить набагато знизити витрати на посилку вантажів в космос. Сучасна ракетна техніка вимагає витрат в тисячі доларів США на кілограм вантажу для підйому на опорну орбіту і приблизно 20 000 доларів США для переходу на геостаціонарну орбіту. Підйом по космічному ліфту коштуватиме кілька сот доларів за кілограм, а то і набагато менше. [?]

Будівництво космічних ліфтів обійдеться дорого, але їх операційні витрати невеликі, тому їх найрозумніше використовувати протягом тривалого часу для дуже великих обсягів вантажу. В даний час ринок запуску вантажів може бути недостатньо великий, щоб виправдати будівництво ліфта, але різке зменшення ціни повинно привести до більшого розмаїттям вантажів. Таким же чином виправдовує себе інша транспортна інфраструктура - шосе і залізниці.

Вартість розробки ліфта порівнянна з вартістю розробки космічного човника. Поки що немає відповіді на питання, чи поверне космічний ліфт вкладені в нього гроші або краще буде вкласти їх у подальший розвиток ракетної техніки.

література Правити

Космічний ліфт в мистецтві Правити

Одне з знаменитих творів Артура Кларка основанно на ідеї космічного ліфта
У Battle Angel (аніме, манга і фільм) фігурує циклопічний космічний ліфт. на одному кінці якого знаходиться Небесний Місто Залем (для громадян) разом з нижнім містом (для не-громадян), а на іншому кінці знаходиться космічний місто Дзера.