Космическият асансьор ще направи революция в космическите пътувания
Лесно е да се подиграете с тази идея: сто хиляди километра въже, опънато между повърхността на земята и сателит, за да издърпа хората и материалите в космоса. Разбира се, лесно е и да се отговори на всеки, който смята, че това е научнофантастична глупост, че някои от по-късните ключови технологии също първоначално са били отхвърлени като фантазия. Помислете само за самолета, на който известният физик Уилям Томсън, 1-ви барон Келвин, публично заяви през 1895 г., че подобно нещо е невъзможно и осем години по-късно братята Райт излетяха. Но както много технически мечти, от производството на злато до хапчетата срещу рак, така и не се сбъднаха?
Общото между „Космическият асансьор“ и тези два примера е, че изпълнението му не изисква никакви нарушения на добре познатите природни закони - за разлика, например, полетите по-бързо от светлината в космоса. Всъщност не друг, а руският учител по математика Константин Едуардович Зиолковски (1857 до 1935), един от откривателите на ракетната теория, който през същата година, в която лорд Келвин направи глупост за историята на технологиите, започна да мисли за 36 000-километрова кула. Върхът му би бил там, където освободено тяло обикаля Земята за един ден, т. Нар. Геостационарна орбита, при която днес метеорологичните или телевизионните спътници обикалят, така че да са винаги над една и съща точка на земната повърхност. Всеки, който се изкачи на такава конструкция, независимо колко време отнемаше, щеше да преодолее земната гравитация, като направи това сам.
Разбира се, такава кула би създала проблеми за строителните инженери, които наистина са неразрешими. Но през 1960 г. сънародникът на Зиолковски Юрий Арзутанов, роден през 1929 г., осъзнава, че вместо това ще свърши леко, но достатъчно здраво въже, което ще бъде спуснато от сателит, изстрелян в геостационарна орбита и закотвен на земната повърхност. Това все още звучи достатъчно лудо. Арзутанов описа идеята само във вестникарска статия в "Комсомолская правда" и когато група американци, ръководени от инженера и океанографа Джон Айзъкс (1913-1980), изпратиха на Science статия от две страници с подобна концепция през 1966 г., тя се появи само с редакционна бележка че рецензентите са имали значителни съмнения.
Ракетният двигател в криза
Днес обаче редица физици и инженери са много сериозно загрижени за идеята. Все още до голяма степен освен големите публично финансирани космически организации, те организират технологични състезания и специализирани конференции; най-новата се проведе преди четири седмици в Сиатъл, като Microsoft беше основен спонсор. През 2008 г. беше създаден Международният консорциум за космически асансьори (ISEC), а през октомври 2013 г. почтената Международна академия по астронавтика (IAA) публикува доклад от 350 страници за състоянието на изследванията.
Тази дейност също е кризисно явление. Зиолковски вече е имал идеята си за кула, когато не е виждал друг начин да достигне до космоса - той е създал ракетното си уравнение едва през 1903 г. И първите подробни изчисления са публикувани от американския инженер на военновъздушните сили Джером Пиърсън, роден през 1938 г., в специализираното списание на IAA Acta Astronautica през 1975 г. През предходните години програмата Apollo е приключила преждевременно и американската програма за развитие на ядрено-космическите задвижващи системи е прекратена. Космическите пътувания бяха изпаднали в истинска криза. Последната вълна от интерес към космическите асансьори най-накрая започна около началото на хилядолетието, когато се виждаше краят на програмата за космическа совалка
Поради възможността за повторна употреба космическата совалка първоначално е била предназначена да бъде особено евтин път в космоса. Но сега се оказа, че не толкова принципът на еднопосочността е попречил да се развие космическото пътуване, а идеята за самата ракета. За да преодолеят гравитацията, ракетите трябва да привличат горивото си с тях. За полезния товар на превозни средства с химическо задвижване остава по-малко от пет процента от излетната маса, а за космическата совалка това е само 1,2 процента. Транспортът на килограм в геостационарна орбита с ракети-носители като американския Атлас или Делта струва 80 000 долара, а в орбити като Международната космическа станция все още е 10 000 долара. „И това въпреки 50-годишния опит и оптимизирането на разходите за ракети“, казва Нюрнбергският физик Мартин Ладес, който участва в ISEC. „Вече не става много по-евтино.“
Когато асансьорът работи, мечтите на научната фантастика се сбъдват
Тази огромна зависимост на стартовите разходи от количеството материал, който трябва да бъде стартиран, е най-големият спойлер в космическите пътувания. Това не само забавя икономическото използване на космоса - и по този начин предотвратява техническото развитие, тъй като те винаги се случват само когато някой може да спечели много пари с тях, но е и истинският аргумент на всички критици на пилотираните космически пътувания. Ако космосът наистина не беше място за хора, нямаше да са високи планини, полярни региони и дори открито море. Homo sapiens липсва на Луната или Марс в наши дни, не защото той не е принадлежал там, а защото в момента е просто твърде скъпо да се изтръгнат удобни космически кораби и свързаните с тях системи за поддържане на живота от земната гравитация.
Но ако беше възможно да се опъне такова въже в космоса и да се позволи на асансьорите да се изкачат по него, крайният резултат би бил съвсем различен. Но какво ти трябваше?
Когато днес хората мислят за космически асансьори, това се основава най-вече на сценарий на американеца Брадли Едуардс от 2003 г. Според него космическият асансьор има пет компонента.
Сто хиляди километра терен
Първо е въжето, чийто център на тежестта обикаля в геостационарна орбита на височина от почти 36 000 километра. Той ще бъде пуснат от сателит, изстрелян там с конвенционални ракети. Този спътник щеше да се изкачва все по-нагоре, до около 100 000 километра и там, като противотежест, вторият компонент щеше да държи въжето опънато чрез своята центробежна сила. Колкото повече маса е дадена тази противотежест, толкова по-къса може да бъде общата дължина. „Ако вземете въже с дължина 144 000 километра, нямате нужда от противотежест“, обяснява физикът Маркус Ландграф от Европейската космическа агенция. „Тогава частта от въжето над геостационарната орбита служи като противотежест. Допълнителното предимство на горната част на въжето е, че оттам можете да летите в Слънчевата система, без да бъдете задвижвани, до Сатурн. "
За товари и пътници с земната орбита на местоназначение обаче геостационарната база, компонент номер три, ще бъде крайната станция. След това четвъртият компонент ще бъде наземната станция. Настоящите концепции, включително тези в доклада на IAA, вече имат много конкретни идеи за местоположението. Плаваща платформа в Тихия океан, на хиляда километра западно от Галапагоските острови, би била идеална. Там морето е предимно спокойно, рискът от тропически циклони е нисък, а гръмотевичните бури не се случват толкова често.
Проблемът с доставката на енергия
Пето, остава действителната асансьорна кабина, която инженерите обикновено наричат „алпинист“. Алпинистът имаше собствено задвижване и колела, или по-скоро ролки, тъй като днешните концептуални проучвания, както и тези, представени в доклада на IAA, се основават на лента с широчина около един метър вместо въже с кръгло напречно сечение. Един от двата основни проблема на космическия асансьор е захранването на това задвижване. Донасянето на гориво за 36 000-километровото пътуване няма смисъл - тогава ще имате същия проблем като с ракетата. Вместо това алпинистът може да бъде захранван от мощен лазерен лъч. Мощните фотоклетки на борда на алпиниста биха преобразували лазерната енергия в електричество.
Такива задвижвания - но също така и „мощното излъчване“ с помощта на мощни фарове или лазери в диапазона от няколко киловата мощност - са изследвани на моделни системи от няколко години под формата на така наречените „предизвикателства“, т.е. състезания, в които (често студентски) отбори се състезават помежду си и Трябва да отговаря на определени изисквания, за да спечели. На най-скорошното събитие в Япония в началото на август задачата беше да се построят алпинисти, които да завладеят 1200 метра дълго въже, държано от балон. През 2012 г. се проведе второто „Европейско предизвикателство за космически асансьор“ в Департамента по космически технологии в Техническия университет в Мюнхен в Гархинг. Но спонсорските пари все още не са достатъчни, за да предложат повече от символични суми, отколкото награди. Малко по-новаторски дух, особено в публичните космически институции, би могъл да направи много повече тук, казва Мартин Ладес.
Алпинистът на завършен космически асансьор, какъвто си представя докладът на IAA, обикновено би тежал 20 тона, от които 14 тона е полезен товар и ще отнеме около осем дни, за да стигне до геостационарната космическа станция. До седем алпинисти биха били на въжето едновременно; Дали тяхната енергия действително може да бъде доставена с лазерна светлина е горещо обсъждан въпрос в сцената на космическия асансьор. „Лазерите ще изискват огромна инфраструктура на място“, казва Питър Суон, президент на ISEC и главен редактор на доклада на IAA. „Трябваха ви седем лъча, по един за всеки катерач, плюс адаптивна оптика и системи за мишена. Енергията за тези огромни лазери ще трябва да се доставя от генератори в открито море - а ние говорим за няколко гигавата! "
По-зелено катерене със слънчева енергия
Следователно докладът на IAA поставя алтернативен източник на енергия в центъра на своето разглеждане: „Поради неотдавнашния напредък и предвидимото развитие на фотоволтаиците, вече е възможно да се концентрираме върху проекти за алпинисти, които черпят цялата си енергия директно от слънчевата светлина“, казва го в доклада. Инженерите могат да си представят, че Катерач влачи няколко повърхности със слънчеви клетки зад тях.
Чистото слънчево задвижване обаче е реалистично само от височина от 40 километра. Облаците не само заплашват да влошат енергийните доставки, но и крехките слънчеви панели ще бъдат изложени на вятър и атмосферни влияния.
Едно възможно, макар и гигантско решение на този проблем би било да се построи долният край на асансьора не на земята, а като „висок етап“ на височина 40 километра. За целта човек вероятно ще се върне към идеята за така наречените контури Lofstrom, набор от вакуумни тръби, дълги стотици километри, в които безкрайни колани се движат толкова бързо, че тяхното центробежно ускорение създава възходяща сила. Транспортът от земната повърхност до „High Stage One“ може да се осъществи електромагнитно по вакуумните тръби.
По-лесно би било да започнете вертикалното изкачване по земята и да скриете сгънатите слънчеви панели в защитно покритие през първите 40 километра. Тогава енергията ще трябва да се доставя от земята по време на този първи етап, или с лазери, или чрез захранващ кабел, изтеглен с него, или - и това би било най-елегантното решение - чрез използване на въже (или лента) в наземната станция с разход на енергия навива необходимата дължина, едва след това прикачва алпиниста и накрая пуска калерчето. В резултат на това центробежната сила на въжето и противотежестта биха изтеглили алпиниста нагоре във високата атмосфера, докато слънцето може да поеме енергийния запас.
Напредък по материалния въпрос
Дали това е възможно зависи в голяма степен от това кой материал е наличен за въжето или лентата. И този момент е второто и най-важно предизвикателство, пред което са изправени визионерите на космически асансьори. Защото и до днес няма материал, който да е стабилен и в същото време достатъчно лек, за да се използва за изграждане на космически асансьор. Така че става въпрос за специфичната сила, за която изследователите на космическите асансьори са въвели своя собствена физическа единица и са я нарекли „Megayuri“ или накратко MYuri, в чест на Юрий Арзутанов. Мегаюри е еквивалентно на един гигапаскал на грам и кубичен сантиметър. Лентата за космически асансьор трябва да бъде най-малко 20 мегаюри, по-добре би била 50. При малко над половин мегаюри стоманата е до сто фактора твърде слаба и още през 1975 г., когато Джером Пиърсън представи своите изчисления, не се виждаха материали чиято специфична сила би била достатъчна.
Но точно това се е променило междувременно. През 1991 г. японски учени откриха форма на въглерод, която вече е била наблюдавана в Русия преди десетилетия, без това да е известно на Запад: въглеродни нанотръби, които оттогава се изучават усилено, тъй като имат и интересни електронни свойства. Тези тръби са молекулни въжета с фантастична якост. Те дадоха решаващ тласък на визиите на космическия асансьор, особено когато през 2000 г. бяха наблюдавани специфични сили над 20 мегаюри в отделни такива нановолокна. Предишният рекорд е въглеродна нанотръба с дължина десет сантиметра, която през 2011 г. измерва над 100 мегаюри.
Сега те трескаво работят за предене на чудното влакно в прежда със сравнима здравина, от която могат да бъдат направени въжета или панделки с всякаква дължина. Няколко стотин метра са достатъчни, макар и само за прежди от нанофибър, които са оптимизирани за леки електрически кабели. Прежди над 20 мегаюри могат да бъдат представени още през 2015 г., според доклада на IAA. Колко дълго след това могат да се получат структури от това, зависи и от това колко добре изследователите получават проблема с дефектите в молекулите на тръбите под контрол. На теория един липсващ въглероден атом в иначе перфектна тръба с дължина 30 000 мили ще намали якостта с 20 процента.
Корозия и космически отломки
Независимо от това, авторите на IAA са уверени: ако настоящата тенденция се запази, те пишат, нанотръби с дължина в километри ще бъдат на разположение около 2022 г. От тях най-накрая трябва да се изплете лентата към звездите.
Но дори и тогава ще трябва да се изяснят допълнителни въпроси, преди космическият асансьор да бъде окончателно класифициран като технически осъществим. Например дали влакното чудо може също да бъде покрито, за да се противопостави на корозията в химически агресивните зони на горните слоеве на атмосферата.
Друга грижа е космическият боклук. Попадения от по-малки отломки с размер под 10 сантиметра не могат да бъдат предвидени, казва Мартин Ладес и статистически те ще се случват на всеки десет дни. Следователно лентата трябва да бъде проектирана по такъв начин, че все още да държи дори с един или повече отвори. В допълнение, той ще бъде леко извит, така че дори един микро-скрап, ударен точно по ръба, не може напълно да го прореже. По принцип алпинистите по поддръжката трябва редовно да инспектират колана и, когато е необходимо, да го поправят. Няколко пъти в годината обаче коланът би бил удрян от скрап части с големината на ширината. Можете обаче да ги наблюдавате с помощта на радар и да ги избягвате, като преместите например плаващата наземна станция.
Но какво, ако нещата станат глупави и лифтовата лента все пак се скъса? Най-голямата вероятност за това е около 800 километра над морското равнище, където плътността на летящия скрап е най-висока. Но всяко отделяне под геостационарната станция би го преместило и фрагмента на горната лента в по-висока орбита, докато долната пада на Земята, бързо се накланя от вертикалата. Тогава най-голямата част от фрагмента от долната лента ще бъде, в краткосрочен план, много дълъг космически боклук, който може да представлява заплаха за околоземните спътници и космически станции, но скоро ще изгори напълно в атмосферата. Само долните сто километра паднаха на повърхността на земята. Сто километра от тънката въглеродна лента тежи по-малко от сто килограма и е малко вероятно да причини големи щети в необятната част на Тихия океан.
Подобна катастрофа би била най-досадна за астронавтите, които в момента са в асансьора. Вероятно ще трябва да се поддържат специални космически кораби за възстановяването на вашия алпинист, но това би трябвало да е финансово възможно с оглед на факта, че според текущите оценки цената на товара е спаднала до 500 долара за килограм. В никакъв случай обаче не бихте искали да вземете от музея стартер за химикали, за да възстановите космическия асансьор. „Първото нещо, което ще направим, когато изградим космически асансьор, е да построим второ. И трети “, казва Питър Суон. "Никога повече не искаме да бъдем затворени в гравитационното поле на земята."