Я работаю над космическими лифтами уже почти 20 лет, и хотя нам все еще предстоит решить проблемы, мы приближаемся к тому, чтобы воплотить их в жизнь
Космические лифты часто отвергаются как мечта научной фантастики, но я верю, что они скоро появятся - возможно, через два или три десятилетия. На протяжении всей моей карьеры аэрокосмического инженера и профессора физики я постоянно возвращаюсь к концепции кабеля, протянутого от Земли к космосу, по которому могут легко перемещаться люди и грузы. В последние годы я и другие исследователи нашли новые способы переделать конструкции и ответить на вопросы о том, как могут работать космические лифты.
Есть много причин для строительства космического лифта. Очевидным из них является значительная экономия энергии и затрат; это гораздо более практичный способ добраться до орбиты, чем ракеты. Еще одна причина, которую часто упускают из виду, - это доступность. Слово “космическая миссия” будет заменено на “транзит”, поскольку полеты в космос становятся рутинными и в основном не зависят от погодных условий. Полеты с участием людей были бы безопаснее, чем нынешняя практика, при которой астронавты должны принимать на себя недопустимый риск для своей жизни при каждом запуске. Космический лифт становится мостом ко всей солнечной системе. Выпустите полезную нагрузку в нижней части, и вы выйдете на орбиту вокруг Земли, но сделайте это в верхней части, и вы выйдете на орбиту вокруг Солнца; и все это без топлива.
Хотя я могу показаться сторонником космических лифтов, правда в том, что мне просто нравится изучать их механику. В мире с огромными проблемами мечты о таких проектах позволяют мне представить сценарий, в котором мы станем ответственными хранителями на этой планете.
Моя история начинается в 2004 году, когда я был студентом магистратуры, сидел в кабинете профессора Аруна Мисры, надеясь, что он будет руководить моей диссертацией. Мисра был ведущим космическим экспертом на факультете машиностроения в Университете Макгилла, поэтому я был более чем немного напуган. Разговор шел примерно так:
Я: Как вы думаете, какие исследования я мог бы провести?
Мисра: Вы когда-нибудь слышали о космическом лифте?
Я: Нет. Что это?
Мисра: Представьте кабель длиной 100 000 километров, который тянется от экватора Земли и прикреплен к спутнику на дальнем конце. Система вращается вместе с Землей. Альпинисты могут подниматься по кабелю, транспортирующему полезные грузы, а затем выпускать их в космос. Я подумал, что вы могли бы изучить динамику этой системы.
Я: Это звучит... сложно.
Мисра: Ваша работа не будет тяжелой. Строительство настоящего космического лифта здесь, на Земле...
Это будет сложно.
Перенесемся на несколько лет вперед. Недавно я опубликовал свою магистерскую диссертацию под названием "Динамика космического лифта". Я тогда работал инженером по проектированию спутников. В выходные мой друг познакомил меня со своим приятелем Колином как “парнем с космическим лифтом”. Моя жена закатила глаза. Я объяснил Колину, как может работать космичесЯ: Если бы вы стояли на экваторе и смотрели на спутник на геосинхронной орбите (примерно 36 000 километров в высоту), он казался бы неподвижным в пространстве, вращаясь без связи вокруг Земли один раз в день, потому что его скорость в самый раз. Теперь этот спутник опускает кабель на Землю, одновременно используя топливо для подъема выше. Кабель закрепляется на заземляющем конце, когда спутник достигает нужной высоты, и система продолжает вращаться вместе с Землей. Трос становится рельсом, по которому механические альпинисты взбираются, как поезда по вертикальной железной дороге, доставляя полезные грузы в космос.
Колин: Но что удерживает трос натянутым?
Я: Комбинация гравитационного и центробежного эффектов, которые конкурируют друг с другом и изменяются по длине кабеля. Ниже геосинхронной орбиты побеждает гравитация, а за ее пределами побеждают центробежные эффекты. В результате возникает напряжение повсюду, с максимальной величиной именно на геосинхронной орбите.
Колин: Сегодня вечер пятницы. Используйте слова поменьше.
Я: Чтобы построить его, нам нужен материал, удельная прочность которого примерно в 50 раз выше, чем у стали. Но в то же время я и горстка других людей в мире притворяемся, что эта проблема будет решена, и занимаемся другими инженерными аспектами космических лифтов, пока мы ждем.
Колин: Рад.
Мы с женой снова пересеклись с Колином в 2014 году. “Как продвигается этот космический лифт?” - спросил он. Моя жена закрыла глаза, и ее лицо говорило: “Пожалуйста, нет”.
Колин: Чего я не понимаю, так это почему весь трос не тянется вниз, когда альпиниста грузят на него внизу?
Я: Если альпинист находится ниже GEO, особенно вблизи Земли, кончик троса немного опускается, и профиль натяжения вдоль троса меняется. Реальная проблема заключается в том, что часть кабеля между альпинистом и Землей испытывает падение натяжения (например, если вы натянули эластичную ленту вертикально, а затем прикрепили массу на полпути вдоль нее).). Если бы натяжение упало до нуля, трос больше не был бы натянут, и конструкция потеряла бы присущую ей устойчивость. Оказывается, что альпинист (и все, что он несет) может иметь максимальную массу, составляющую около 1 процента от общей массы кабеля. Это все еще большая масса, потому что ожидается, что длина кабеля составит сотни тонн.
Колин: Как продвигается этот кабельный материал?
Я: Я уже говорил вам, это не мое.
Колин: Займись этим, чувак!
Сейчас 2022 год. Недавно я представлял краткое изложение моей почти двадцатилетней случайной работы над космическими лифтами на семинаре в колледже Ванье, где я преподаю физику. Беседа заканчивается, и начинается часть вопросов и ответов.
Студент 1: Когда будет готов материал для строительства лифта?
Я: Несмотря на то, что в последние годы синтез потенциально подходящих материалов продвинулся вперед, мы все еще находимся по крайней мере в 10 годах от материального решения (с адекватными свойствами, которое можно изготовить достаточно быстро по разумной цене). Нередко новые технологии ожидают улучшения материаловедения, и, к счастью, исследования материалов продолжаются по причинам, не связанным с космическими лифтами.
Студент 2: Это звучит действительно круто. Но зачем нам его строить?
Я: Когда вы думаете об этом, ракеты как средство передвижения нелепы. Для типичной космической миссии более 90 процентов общей массы на стартовой площадке - это топливо! Это все равно что находиться в машине без мотора, только с топливным баком объемом 100 000 литров под давлением. Нам нужно заменить этот неэффективный метод преодоления гравитации Земли более экологичной дорогой в космос.
НАСА планирует доставить людей на Марс до 2040 года. Я подозреваю, что люди действительно будут ходить по Марсу (стоимостью в сотни миллиардов долларов) до того, как у нас появится действующий космический лифт, но для того, чтобы это было устойчивым предприятием, нам понадобится инфраструктура, подобная космическому лифту, и лучше раньше, чем позже.
Студент 3: Итак, когда, по вашему мнению, он будет построен?
Я: Знаменитому писателю и инженеру Артуру К. Кларку, чей роман "Райские фонтаны" повествует о создании первого космического лифта, задали этот вопрос в начале 1990-х годов. Его знаменитым ответом было: “Вероятно, примерно через 50 лет после того, как все перестанут смеяться”. Более современный ответ может звучать так: “Мы поймем, что близки к цели, когда Илон Маск начнет приписывать это себе”.
Сегодня я чувствую себя так же, как тогда, когда нервно сидела в офисе Аруна (да, мы все еще работаем вместе, и теперь я называю его так, и это всегда будет немного странно). Этот элегантный путь в космос захватывает мое воображение и наполняет меня надеждой.
