Въже в орбита Какво всъщност прави ... космическият асансьор спектър на науката
Въже в орбита: какво всъщност прави ... космическият асансьор?
Започвайки от тропически остров в средата на Тихия океан, минава тънка линия, която сякаш се губи някъде в безоблачното синьо небе: Това е въже, което се простира в космоса. По това въже в небето се издигат капсули, които спокойно транспортират товари и хора в геостационарна орбита. Без обратно броене, без димни ракетни двигатели, вместо безшумен асансьор: тази визия за бъдещето вдъхновява авторите на научната фантастика в продължение на десетилетия, тъй като ще направи космическите пътувания много по-евтини и ще отвори изцяло нови клонове на икономиката в космоса.
Но инженерите само понякога започват да се справят с проблемите, които трябва да бъдат решени. Един от тях е Йошики Ямагива от университета Шизуока в Япония, който със своите ученици има малък космически асансьор, изстрелян към Международната космическа станция (МКС) на 22 септември 2018 г. на борда на безпилотния космически кораб HTV. Това е десет сантиметров широк и 23 сантиметров дълъг CubeSat, който трябва да бъде изтласкан в космоса от МКС през следващите седмици, за да се тества първият асансьор в космоса. Малко вероятно е обаче да премахне техническите препятствия пред тази технология.
Надежда за въглеродни нанотръби
Още през 1895 г. руският пионер в космическите пътувания Константин Зиолковски формулира идеята за още по-голяма структура, която може да достигне в космоса, под впечатлението от новопостроената Айфелова кула. Но в продължение на почти 100 години просто нямаше известен материал, който да е подходящ за това. Например стоманата би се счупила на височина едва 30 километра само от собственото си тегло, независимо от това колко стабилна е конструкцията на стоманения кабел.
Въпреки че концепцията беше многократно възприета от авторите на научната фантастика, едва след 1991 г. инженерите започнаха да се занимават по-сериозно с асансьора в космоса. През тази година японският учен Сумио Ииджима откри въглеродните нанотръби. Този материал е 100 пъти по-здрав от стоманата, но само наполовина по-тежък от алуминия. Математически въже, направено от въглеродни нанотръби, би могло да бъде опънато далеч зад геостационарната орбита и пак би било толкова лесно, че днешната тежкотоварна ракета да може да я изведе в космоса, откъдето да бъде свалена надолу.
Проучване на НАСА през 2000 г. изследва техническите изисквания за такова въже: От остров или платформа в по-малко бурните тропически ширини на Тихия океан въжето ще достигне до 144 000 километра в космоса - до една трета от разстоянието от Луната. Тук противотежест би поддържал въжето опънато чрез центробежна сила, докато платформа на височина 34 000 километра би могла да побере космическа станция в безтегловност. По този начин човек би могъл да транспортира товари и хора в орбита и по този начин да направи ракетите излишни. Килограм, пуснат в космоса, би струвал малко повече от 200 долара вместо 20 000 долара днес.
Привържениците на технологиите мечтаят за огромни хотели в космоса, за слънчеви електроцентрали в орбита и мини на астероиди. Центробежната сила в края на въжето дори би позволила междупланетно пътуване с много по-малко използване на гориво. Но най-важният проблем остава материалът: досега въглеродните нанотръби са доказали огромната си сила само в лаборатория; Техниките за производство на въжета с дължина метри или дори километри не съществуват и до днес.
Асансьорът на кибритената кутия
Японският „Космически привързан автономен роботизиран сателит - мини асансьор“ (STARS-ME), който тежи само 2,7 килограма, е CubeSat, един от многото малки спътници, изстрелвани в момента в космоса, за да се тестват нови и технически рискови процеси за космически пътувания. STARS-ME носи въже от кевлар, което все още не е подходящо за повдигане от земята в космоса. Когато CubeSat е напуснал космическата станция и свободно обикаля около земята, кубоидът се разделя на два кубовидни CubeSats, които остават свързани помежду си с единственото 14-метрово въже. Малък робот със собствено устройство трябва да се плъзга между тях. Това би бил първият асансьор в космоса, но с големината на кибритена кутия, доста малка.
За Маркус Ландграф подобно каране на асансьор в орбита не е особено взискателно постижение: „Хората бързат да решават прости проблеми, вместо да решават наистина трудните“, казва инженерът, който планира лунни сонди в Европейската космическа агенция, но насаме има слабост към космическите асансьори Има. Според него задвижването на капсулата на асансьора е един от разрешимите проблеми на космическия асансьор: той би трябвало да работи съвсем различно от нормалния сграден асансьор; защото докато е изтеглен от въжета, космическият асансьор ще трябва да се изкачи сам. Поради тегло, капсулата ще трябва да бъде снабдена с енергия от земята, вероятно чрез мощен лазер, който облъчва слънчеви клетки на асансьорната капсула.
От 2005 г. се провеждат състезания в САЩ, Япония, Германия и Израел, в които робот за повдигане, разработен от ученици, трябва да изкачи въже, държано от хеликоптер, възможно най-бързо. Докато в ранните години роботът за катерене не винаги достигаше горния край на въжето, наскоро японски екип успя да вдигне 100 килограма полезен товар до 1200 метра. Въпреки това, подобно на мисията STARS-ME, тези състезания все още са далеч от размерите на орбитално въже: „Те със сигурност играят роля при запознаването на учениците с динамичните ефекти на космическите пътувания“, казва Маркус Ландграф. "Но няма да качват космическия асансьор повече."
Дяволът е в детайлите
Организации, които сами извършват космически пътувания, като Европейската космическа агенция ESA - работодателят на Маркус Ландграф - досега не придават никакво значение на космическите асансьори в бюджета си. Феликс Хубер също е скептичен по фундаментални съображения: „Не е лесно да се поддържа такова въже стабилно в орбита“, казва директорът на космическите операции и обучението на астронавтите в Германския аерокосмически център в Оберпфафенхофен. Хубер се позовава на различни опити в миналото, при които два сателита обикалят около Земята, свързани с километри кабели.
Много от тези мисии се провалиха, защото неволно се натрупа високо напрежение, задръстваха се лебедки или защото въжетата се заплитаха поради малки производствени грешки. Освен това въжетата биха се люлели лесно в орбита. Космическият асансьор обаче не би достигнал само през вакуума, но и през атмосферата, която също го дърпа, например по време на тропически бури. „Дори когато асансьорът стартира, той дърпа въжето“, казва Хубер. „Само това позволява на вибрациите да се разпространяват и да продължават да се натрупват.“
Въже с дължина десетки хиляди километри ще трябва да се бори с други проблеми: На височина от 200 до 900 километра то ще премине през зона, в която има атомен кислород, разделен от ултравиолетовото лъчение на слънцето, което окислява органични материали като въже от въглеродни нанотръби и би се разложил. Космическите отломки също могат да унищожат въжето - особено в геостационарната орбита на гробището: Това е тясна и почти линейна зона над геостационарните орбити, в която се изхвърлят неизползваните спътници - и която орбиталното въже трябва да пресече. В допълнение има бързо обикалящи космически отломки по по-дълбоки орбити и микрометеорити, които могат да пробият дупки в въжето или в най-лошия случай да го унищожат.
Мечтата продължава да живее
Маркус Ландграф, който има опит в динамиката на полета, смята, че всички тези проблеми са принципно разрешими: Теоретично динамиката на такива въжета е отдавна разбрана. И дизайнерите биха могли просто да монтират долния край на космическото въже по такъв начин, че той да намалява вибрациите с обратни въртеливи движения. По-големите парчета в земната орбита могат да бъдат заобиколени от насочени вибрации.
От друга страна, ще трябва да се поправят по-малки разкъсани дупки. Отломките в гробищната орбита вече са доста бавни спрямо въжето. А въжето просто ще трябва да бъде покрито, за да се предпази от радиация и атомен кислород. Проучване на НАСА от 2000 г., основано на първоначални експерименти, предполага, че от външната страна на въжето ще се развие окислен слой, който служи като естествена защита за по-дълбоките слоеве.