Космические лифты: можно ли подняться на орбиту без ракеты

Космические лифты предлагают поднимать грузы с поверхности Земли на орбиту по тросу длиной в десятки тысяч километров. Специальная кабина должна медленно двигаться вверх без собственного ракетного двигателя и расходования большого количества топлива.

Физические законы не запрещают такую конструкцию. Если правильно разместить трос, его верхняя часть будет удерживать нижнюю за счёт вращения вместе с Землёй. Однако подходящего материала для главного элемента системы пока не существует.

Современные ракеты продолжают оставаться единственным практическим способом доставки людей и тяжёлых грузов с Земли в космос. Космический лифт представляет собой серьёзно изучаемую инженерную концепцию, а не проект, строительство которого уже началось.

Это не башня высотой до космоса

Построить обычную башню от поверхности Земли до орбиты невозможно. Нижние участки должны были бы выдерживать массу всей конструкции, расположенной выше.

Даже самые прочные строительные материалы разрушились бы под огромной нагрузкой задолго до достижения необходимой высоты.

Космический лифт работает по другому принципу. Его трос не стоит на поверхности, как небоскрёб, а свисает из космоса и остаётся натянутым.

Один конец закрепляется возле экватора, а другой продолжается далеко за геостационарную орбиту. Верхняя часть и противовес растягивают систему наружу, не позволяя тросу упасть на Землю.

Геостационарная орбита играет главную роль

Геостационарная орбита находится на высоте около 35 786 километров над экватором. Спутник на ней совершает оборот вокруг Земли за то же время, за которое планета вращается вокруг своей оси.

Для наблюдателя с поверхности такой аппарат кажется неподвижным над одной точкой. Именно это свойство необходимо космическому лифту.

Трос должен вращаться вместе с Землёй и постоянно оставаться над наземной станцией. Если закрепить его в другой широте, движение системы станет намного сложнее.

Поэтому основание земного лифта предлагают размещать на экваторе — на суше или на большой подвижной океанской платформе.

Трос должен продолжаться дальше орбитальной станции

Если трос закончится на геостационарной высоте, собственная масса потянет его вниз. Для равновесия конструкцию необходимо продлить на тысячи километров дальше.

На верхнем конце располагается противовес. Им может быть массивный объект, захваченный астероид или дополнительный участок самого троса.

При вращении внешняя часть стремится удалиться от Земли и натягивает всю конструкцию. Геостационарная точка становится областью равновесия между внутренним и внешним участками.

Общая длина троса в различных проектах может превышать 100 тысяч километров. Это больше четверти расстояния от Земли до Луны.

Кабина будет подниматься по поверхности троса

По тросу должны двигаться специальные подъёмные аппараты, которые часто называют альпинистами или климберами.

Колёса или другие приводные механизмы зажимают ленту с двух сторон и постепенно перемещают кабину вверх. Внутри можно перевозить спутники, оборудование, топливо и, теоретически, людей.

Климберу необходим источник энергии. Установить тяжёлый запас аккумуляторов на весь путь невыгодно, поэтому рассматривается беспроводная передача энергии лазером или микроволнами с наземной станции.

На корпусе подъёмника располагаются приёмники, преобразующие луч в электричество для двигателей. Возможны также конструкции, получающие энергию через проводящие элементы самого троса.

Поездка займёт не несколько минут

Название «лифт» напоминает обычную кабину в высотном здании, но подъём на геостационарную высоту будет намного продолжительнее.

Даже при скорости в несколько сотен километров в час путешествие займёт несколько дней. Медленный подъём уменьшает механические нагрузки, но снижает пропускную способность системы.

На тросе одновременно могут находиться несколько кабин. Их массу и расстояние между ними придётся строго контролировать, поскольку каждый подъёмник изменяет натяжение и вызывает колебания.

Для пассажиров потребуется герметичная кабина с запасом воздуха, защитой от радиации, системой жизнеобеспечения и возможностью аварийного возвращения.

Материал несёт собственный вес

Обычный стальной кабель не подойдёт. Нижние участки должны удерживать не только кабину, но и десятки тысяч километров троса, расположенного выше.

При увеличении толщины растёт прочность, но одновременно увеличивается и масса. Более тяжёлый трос требует ещё большей площади сечения, из-за чего возникает замкнутая проблема.

Инженерам необходим материал с чрезвычайно высоким отношением прочности к плотности. Он должен выдерживать растяжение, оставаясь сравнительно лёгким.

Кевлар, углеродное волокно и другие современные композиты недостаточно прочны для классического земного лифта с приемлемым запасом безопасности.

Нанотрубки прочны только в малом масштабе

Углеродные нанотрубки обладают выдающимися механическими свойствами. Отдельная бездефектная нанотрубка значительно прочнее стали при гораздо меньшей массе.

Проблема появляется при создании длинного волокна. Отдельные нанотрубки необходимо соединить так, чтобы нагрузка равномерно передавалась между ними.

Микроскопические дефекты, загрязнения и слабые соединения резко снижают прочность большого материала. Чем длиннее трос, тем выше вероятность встретить опасный дефект.

Современные волокна из нанотрубок пока не сохраняют теоретическую прочность отдельных молекулярных структур на необходимых размерах. Между небольшим лабораторным образцом и стокилометровой лентой лежит огромная технологическая дистанция.

Графен сталкивается с похожей проблемой

Графен представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом. Маленькие качественные образцы обладают высокой прочностью.

Для космического лифта потребовалось бы производить огромные непрерывные полотна или волокна с одинаковыми свойствами по всей длине.

Границы между участками, разрывы кристаллической решётки и следы производства становятся слабыми местами. Реальный материал оказывается значительно менее прочным, чем идеальная модель.

Кроме прочности, необходимо учитывать усталость, воздействие радиации, нагрев, химическое разрушение и возможность ремонта в космосе.

Толщина троса не будет одинаковой

Нагрузка распределяется по длине неравномерно. Самое сильное натяжение ожидается возле геостационарной области.

Поэтому трос проектируют с переменным сечением. В наиболее нагруженных местах он должен быть шире или толще, а ближе к концам может становиться легче.

Такое изменение называют сужением или конусностью. Оно позволяет не тратить лишний материал там, где нагрузка меньше.

Но производство непрерывной ленты с точно меняющейся толщиной само по себе является сложной задачей. К тому же конструкция должна иметь запас для повреждений и движения тяжёлых кабин.

Ветер опасен для нижней части конструкции

Нижний участок троса проходит через атмосферу. На него воздействуют ветер, грозы, обледенение и перепады температуры.

Длинная гибкая лента может раскачиваться, закручиваться и создавать сложные волны. Колебания способны распространяться вверх на тысячи километров.

Океанская платформа позволила бы немного перемещать основание и уходить от особенно сильных штормов. Но она должна постоянно оставаться возле экватора и выдерживать натяжение всей системы.

Молнии и электрические заряды атмосферы также требуют защиты. Трос может превратиться в проводящий путь между разными слоями атмосферы.

Космический мусор придётся обходить

За пределами атмосферы конструкция пересекает множество высот, на которых движутся спутники, отработавшие ступени ракет и мелкие фрагменты.

Даже небольшая частица на орбитальной скорости способна серьёзно повредить материал. Трос невозможно защитить тяжёлой бронёй по всей длине.

Система должна постоянно отслеживать известные объекты. Наземную платформу можно немного перемещать, изменяя положение троса и позволяя ему уклониться от опасного сближения.

Мелкие частицы, которые не видны радарам, останутся угрозой. Поэтому ленту предлагают делать многослойной или состоящей из связанных волокон, чтобы повреждение одного участка не вызывало мгновенного разрыва.

В космосе материал продолжит разрушаться

Выше атмосферы на трос воздействуют ультрафиолетовое излучение, заряженные частицы и атомарный кислород.

Поверхность постепенно изменяется, становится хрупкой или теряет прочность. Температура может резко меняться при переходе между солнечным светом и тенью.

На конструкцию также действуют электрические и магнитные эффекты. Длинный проводящий объект движется через магнитное поле Земли и способен накапливать заряд.

Необходимо создать защитные покрытия, которые сохранят свойства десятилетиями и не увеличат массу троса слишком сильно.

Ремонт придётся выполнять постоянно

Даже идеальный материал будет получать небольшие повреждения. Их необходимо обнаруживать до того, как они превратятся в опасную трещину.

По тросу могут перемещаться диагностические роботы. Они будут проверять волокна, устанавливать заплаты и заменять повреждённые элементы.

Но робот должен работать на огромной высоте, получать энергию и не мешать движению грузовых кабин.

Системе также потребуются запасные части, наземный центр управления и способы замены крупных участков без полной остановки лифта.

Разрыв троса не означает одинаковую катастрофу везде

Последствия аварии зависят от места повреждения. Верхняя часть может уйти на более высокую орбиту или в космическое пространство, а нижняя начнёт падать к Земле.

Это не обязательно будет похоже на падение жёсткой башни. Лёгкая лента станет опускаться вдоль поверхности планеты, взаимодействуя с атмосферой.

Тем не менее её длина и скорость сделают аварию чрезвычайно опасной. Поэтому основание предлагают размещать в удалённом океанском районе, вдали от крупных городов и воздушных маршрутов.

Проект должен предусматривать контролируемое разделение конструкции, прогноз траектории и способы уменьшения последствий повреждения.

Лифт не заменит ракеты полностью

Даже работающий космический лифт не сможет доставить груз в любое место космоса без дополнительных двигателей.

Он выведет аппарат на определённую высоту и придаст ему скорость, связанную с вращением Земли. После отделения спутнику может потребоваться изменить орбиту или направление движения.

Ракеты продолжат использоваться для срочных запусков, пилотируемых миссий, полётов с высоких широт и доставки аппаратов на специальные траектории.

Лифт станет транспортной инфраструктурой с высокой первоначальной стоимостью, но потенциально низкой стоимостью каждого последующего подъёма.

Верхний участок может разгонять космические аппараты

Чем дальше от Земли находится точка отделения, тем выше линейная скорость вращающегося вместе с планетой троса.

Груз, поднятый выше геостационарной орбиты, после освобождения сохранит полученную скорость. При правильном выборе высоты и момента отделения его можно направить к Луне или другим целям.

Таким образом, конструкция способна работать не только как лифт, но и как гигантская система разгона.

Однако точная траектория зависит от параметров станции, движения Луны и назначения аппарата. Для коррекции всё равно понадобятся небольшие двигатели.

Лунный лифт построить легче

На Луне сила тяжести примерно в шесть раз слабее земной, а атмосферы почти нет. Это уменьшает нагрузку на трос и устраняет ветер, молнии и погодные явления.

Лунный лифт должен работать по другой схеме, связанной с точками равновесия в системе Земля — Луна. Его трос можно протянуть от поверхности Луны в сторону одной из таких областей.

Для некоторых вариантов могут подойти уже существующие высокопрочные материалы. Это делает лунную конструкцию более реалистичной, чем земную.

Однако сначала потребуется доставить оборудование к Луне, установить основание, развернуть трос и обеспечить энергией подъёмные аппараты. Поэтому и лунный лифт пока остаётся проектом, а не строящимся объектом.

Марс создаёт другие условия

Марс имеет меньшую гравитацию, чем Земля, поэтому требования к прочности материала могут быть ниже.

Но на планете есть атмосфера и сильные пылевые бури. Её спутник Фобос движется по низкой орбите, что создаёт дополнительные ограничения для длинных конструкций.

Марсианский лифт мог бы быть полезен будущей базе, поскольку доставка грузов с поверхности на орбиту потребует энергии и топлива.

До его строительства человечеству необходимо сначала создать постоянную инфраструктуру на Марсе и освоить производство больших конструкций вдали от Земли.

Стоимость лифта неизвестна

Часто утверждается, что космический лифт резко удешевит доставку грузов. Теоретически повторное использование троса и электрических подъёмников действительно уменьшает потребность в ракетном топливе.

Но сначала необходимо создать саму конструкцию, доставить начальный трос на орбиту, развернуть его, построить платформу и организовать систему безопасности.

Проект потребует постоянного обслуживания и защиты от множества угроз. Нельзя точно оценить стоимость технологии, пока не выбран реальный материал и способ строительства.

Лифт станет выгодным только при большом и постоянном грузовом потоке. Редкие подъёмы не окупят гигантские первоначальные расходы.

Первые грузы будут беспилотными

Даже если необходимый материал появится, первые версии космического лифта вряд ли сразу начнут перевозить людей.

Сначала по тросу будут отправлять небольшие автоматические грузы. Инженерам потребуется проверить движение кабин, энергоснабжение, колебания и износ конструкции.

Пассажирская перевозка требует намного более строгой надёжности. Кабина должна обеспечивать воздух, тепло, защиту от радиации и возможность спасения при остановке на любой высоте.

Эвакуировать людей с середины троса будет значительно сложнее, чем с обычной орбитальной станции.

Срок строительства предсказать невозможно

В интернете встречаются заявления, что первый космический лифт появится к определённому году. Такие даты не опираются на готовую технологию.

Пока отсутствует материал, способный стать земным тросом требуемой длины и прочности. Не решены также вопросы промышленного изготовления, ремонта и защиты конструкции.

Прогресс в материаловедении может приблизить реализацию идеи, но невозможно заранее узнать, когда произойдёт необходимый прорыв.

Поэтому космические лифты не следует включать в планы ближайших запусков. Пока они остаются ориентиром для исследований и источником необычных инженерных задач.

Идея возможна по законам физики, но недоступна технике

Космический лифт не требует антигравитации или нарушения известных законов природы. Его работу обеспечивают вращение Земли, натяжение троса и электрические подъёмные аппараты.

Главное препятствие заключается не в самой идее, а в масштабе. Необходимо создать сверхлёгкую конструкцию длиной более 100 тысяч километров, способную выдерживать собственную массу, погоду, радиацию и столкновения с частицами.

Если подходящий материал когда-нибудь появится, человечеству всё равно предстоит решить множество задач строительства и безопасности.

Космические лифты могут стать транспортом далёкого будущего. Сегодня они помогают понять пределы материалов и представить, насколько необычной может быть дорога с поверхности Земли на орбиту.