космічний ліфт
З цієї причини, значна частина сьогоднішніх досліджень в області космонавтики, спрямована на підвищення продуктивності роботи цих станцій і їх екіпажу, а також на зниження вартості експлуатації станцій і обслуговування людського ресурсу. Далі, нами розглядається один з найбільш амбітних і масштабних проектів в цій області - космічний ліфт.
Завдання космічного ліфта
Основна мета побудови космічного ліфта полягає в зниженні вартості доставки вантажів на орбіту Землі. Справа в тому, що доставка будь-якого вантажу на орбітальну станцію, за допомогою транспортних космічних апаратів, залача досить витратна. Наприклад, один з транспортних кораблів НАСА, розроблений компанією SpaceX - Dragon, вимагає для свого запуску витрати в розмірі близько 133 млн. Доларів, при цьому під час останньої місії ( «SpaceX CRS-9») корабель був завантажений на 5000 фунтів (2268 кг ). Таким чином, якщо підрахувати вартість одного фунта, то вона складе 58,6 тис. Доларів за 1 кг.
Космічний ліфт в поданні художника
Вартість доставки на Міжнародну космічну станцію півлітрової пляшки з водою становила б 27 тис. Доларів, а кавомашини - пів мільйона доларів. З цієї причини особи, які організовують космічні дослідження, ретельно стежать за доцільністю доставити. У деяких випадках доводиться обмежувати свої дослідження найважливішими зразками, таким чином, можливо, упускаючи цікаві результати досліджень. Скорочення ж фінансів на доставку вантажів на орбіту Землі не тільки скоротить тиск на національну економіку, а й розширить ринок доставляються вантажів, що в подальшому може вплинути на науковий прогрес в цілому.
Хоча споруда космічного ліфта - досить витратна підприємство, його експлуатація надалі обійдеться космічним агентствам в рази менше, ніж запуски транспортних космічних кораблів.
Конструкція і принцип роботи
Вперше ідею космічного ліфта висунув основоположник теоретичної космонавтики - Костянтин Едуардович Ціолковський, коли побачив Ейфелеву вежу. Тоді він уявляв собі ліфт, розташований всередині найвищої вежі. До сьогоднішнього дня концепція було значно доопрацьована і видозмінена. Найбільш популярна концепція космічного ліфта складається з чотирьох основних частин і представляється в наступному вигляді.
Перша частина - це підстава. Це місце знаходиться на поверхні Землі, до нього кріпиться трос і з нього починається підйом вантажу. Воно може бути двох видів: рухомим і стаціонарним. Рухоме підставу, наприклад, встановлений на океанському судні, здатне проводити маневри ухилення троса від природних стихій, на зразок ураганів і бур. Стаціонарне ж підстава обійдеться значно дешевше, через зменшення довжини троса і більш простого доступу до джерела енергії.
Друга важлива частина конструкції, це власне сам трос, уздовж якого буде відбуватися переміщення підйомників. Його кінець повинен проходити через геостаціонарну орбіту, перебуваючи на якій, будь-який об'єкт обертається навколо Землі з тією ж кутовою швидкістю, що і сама планета навколо своєї осі. Таким чином коливання троса будуть мінімальні. Товщина троса повинна бути неоднорідна, оскільки в кожної його частини навантаження різниться. Тобто ближче до поверхні планети конструкція буде змушена витримувати свою власну вагу (у тому числі і вага підйомників з вантажем), тоді як ближче до орбіти трос змушений врівноважувати відцентрову силу, спрямовану від Землі.
Третя частина конструкції - противагу. Його призначення полягає в натягу троса. Однак в перспективі його можна буде використовувати також для віддаленого запуску кораблів і космічних вантажів на інші планети. Противага повинна розташовуватися за геостаціонарній орбітою на висоті більш ніж в 144 тис. Км, і являти собою будь-який важкий об'єкт, наприклад, астероїд або навіть космічний док. Якщо з поверхні Землі по тросу буде вільно рухатися космічний апарат, то він зможе набрати швидкість, достатню для того, щоб вийти за межі Сонячної системи.
Варіант реалізації космічного ліфта
Четвертий основний компонент космічного ліфта - це сам підйомник. Його конструкція може бути представлена великою кількістю концептів, серед яких можна виділити основний принцип роботи. Як видно з наведеної схеми, на підйомник буде діяти дві сили: сила тяжіння і сила Коріоліса. Друга виникає в результаті обертання Землі і з її допомогою підйомник впливає на трос, прогинаючи його. У разі вертикального руху підйомника зі швидкістю 200 км / год, трос нахиляється на 1 градус щодо поверхні планети. Для здійснення цього підйому буде потрібно сила, яка спрямовує підйомник від Землі, якій буде сприяти і горизонтальна сила Коріоліса. Ймовірно, для створення подібної вертикальної сили потрібно використання ефектів електромагнетизму.
Проблеми побудови і їх рішення
Однією з основних проблем створення подібної конструкції - трос. Найважливіший атрибут необхідного троса, це високе значення відношення його міцності до питомої щільності. В цифрах, необхідна щільність троса повинна бути близька до щільності графіту (2,23 г / см 3), а міцність в діапазоні 65-120 гігапаскалів. На жаль, в порівнянні з цією цифрою, міцність відомих нам матеріалів в рази менше. Так, наприклад, міцність сталі - 1-5 ГПа, кевлара 2,6-4,1 ГПа, кварцового волокна близько 20 ГПа. На сьогодні, найбільш вірогідним претендентом на роль матеріалу для троса виступають вуглецеві нанотрубки. Теоретично їх міцність може перевищувати навіть 120 ГПа, однак в проведених експериментах нанотрубки лопалися в середньому при навантаженні 30-50 ГПа. Хоча американським вченим з Університету Південної Каліфорнії вдалося досягти міцності в 98,9 ГПа, все ж в експерименті використовувалися одношарові нанотрубки довжиною в 195 мкм. Сплетений ж з нанотрубок трос матиме міцність помітно нижче, ніж самі нанотрубки.
Крім троса можна використовувати так звану шину, котра проводить електричний струм, що приводить в рух ліфт. У ролі такої шини може виступати графенову папір, недавно створена в Сіднейському Технологічному університеті. Діагональ таких листів графена досягає вже сьогодні кілька десятків сантиметрів.
Природні та штучні перешкоди
Слід також враховувати фактор природи, який представлений різними погодними змінами на кшталт блискавок і сильних вітрів. Можливий спосіб вирішення проблеми може полягати в сукупності таких якостей троса як міцність і рухливість підстави, що дозволить уникати значних природних загроз, і справлятися з незначними.
Збереження космічного ліфта можуть загрожувати і такі штучні об'єкти як космічне сміття, який у значній кількості скупчився на орбіті Землі. Попадання найменшої частинки, що летить на величезній швидкості, в конструкцію може спричинити за собою значні пошкодження або зовсім зруйнувати ліфт.
Джерело енергії
Згідно з підрахунками, висновок на низьку навколоземну орбіту однієї тонни вантажу можна вимагати потужність до десятків гігават. Для порівняння, найбільша в світі АЕС (Касівадзакі-Каріва, Японія) видає потужність 8,2 ГВТ, один з найпотужніших реактивних двигунів, радянський РД-170 - 14,7 ГВт.
Проект канадської вежі
Недавній патент Канадської космічної компанії Thoth Technology описує проект вежі висотою в 20 кілометрів. Створення такого високого будівлі можливо за допомогою використання стисненого газу всередині, який буде надавати жорсткість конструкції. На вершину вежі вантаж буде піднято відомим способом. На вершині ж буде розташовуватися стартовий майданчик, з якої вже будуть запускатися космічні апарати із зазначеним устаткуванням. Подібна технологія дозволить скоротити витрати на паливо на 30%, в порівнянні з витратами на паливо для ракети.
Підводячи підсумки всього сказаного вище, можна відзначити складність реалізації існуючих концептів космічного ліфта, в силу відсутності деяких необхідних технологій, таких як матеріали, інструменти та методи. Крім того, проект зажадає чималі фінансові витрати і значні людські ресурси. Імовірність швидкої побудови даної конструкції зросте в разі скооперуватися роботи ряду розвинених держав.
Що можна сказати вже сьогодні, так це лише те, що перед людством стоїть мета створення космічного ліфта, і над його розробкою трудиться безліч вчених по всьому світу. Щорічно здійснюються наукові відкриття в цій галузі з кожним разом все більше наближають нас до реалізації такого амбітного і масштабного проекту, як космічний ліфт.
