Космический лифт (в Википедии)
См. также[]
из Освоение Марса и задачи разработки новых технологий.[]
из Освоение Марса и задачи разработки новых технологий.== А.В. Багров, д.ф.-м.н., ИНАСАН В.А. Леонов, к.ф.-м.н., ИНАСАН (Конференция "Космонавтика и культура нации", посвященная 50-летию полета В.В.Терешковой (Ярославль, 2013 г))
А.В. Багров, д.ф.-м.н., ИНАСАН
В.А. Леонов, к.ф.-м.н., ИНАСАН (Конференция "Космонавтика и культура нации", посвященная 50-летию полета В.В.Терешковой (Ярославль, 2013 г))
У нашей родной планеты есть спутник – Луна, который обладает очень полезными для космического будущего свойствами. Луна имеет массу, всего в 81 раз меньше земной, находится почти на круговой орбите, и всегда обращена к Земле одной стороной.
Эти свойства позволили нам предложить соединить Луну и Землю «космическим лифтом» [1]. Если от Луны до Земли протянуть тросовую систему, одним концом закрепленную в центре лунного диска, то трос под действием земного тяготения вытянется вдоль направления от Луны к центру Земли. Если бы вращение Луны не было синхронизовано с ее орбитальным движением, то трос, закрепленный за лунную поверхность, наматывался бы на Луну. Нам удивительно повезло, что Луна движется вокруг Земли так, что с нее можно протянуть трос до самой Земли!
Ближний к Земле конец троса должен немного не доходить до поверхности планеты, которая за счет суточного вращения имеет скорость 400 м/с относительно ближнего конца троса. Ураганный ветер со сверхзвуковой скоростью разрушил бы не только кабину лифта, но и сам трос, если бы он доходил до поверхности Земли. А если кабина останется в стратосфере Земли, где плотность воздуха ничтожна, даже такой сильный ветер не сможет навредить конструкции лифта. Для достижения с Земли транспортного узла, размещенного на нижнем конце троса, достаточно средств авиационной техники. Например, стратосферный самолет при выполнении манёвра «горка» может подняться на высоту 50...100 км с сохранением горизонтальной скорости 400 м/с, и тогда он будет иметь нулевую скорость относительно конца троса.
Полезная нагрузка из транспортного космолета может быть перемещена вдоль лифта в любую точку тросовой системы; опорой для этого перемещения будет сама Луна, находящаяся далеко за пределами Земли. Энергия подъема груза через трос вызовет ничтожные потери энергии орбитального движения Луны, практически неисчерпаемого источника. Если груз будет доставляться с Луны на Землю, то энергия перемещения частично восполнит потери лунной энергии на подъем грузов с Земли.
Если трос покрыть слоем сверхпроводника и пропустить по нему ток как по рельсам, то можно будет использовать магнитные двигатели на кабине – маглевы. Это новое слово означает «магнитная левитация». С помощью маглевов перемещаются сверхскоростные поезда в Японии, причем магнитное взаимодействие между вагонами и рельсами исключает механический контакт (и трение!) между ними.
Если подобную систему использовать в космическом лифте, то принцип бесконтактного движения позволит кабине лифта двигаться с любыми ускорениями и с любой скоростью. Например, если половину пути к Луне кабина будет двигаться с ускорением 1 g, а вторую половину пути тормозиться с таким же ускорением, то весь путь от Земли до Луны (или обратно) займет всего 3,5 часа. Подобная технология не только ускорит движение, но и исключит невесомость, поскольку на протяжении всего пути в кабине будет действовать привычная для людей сила земного притяжения.
Космический лифт «Земля-Луна» станет постоянно действующим космодромом. Дело в том, что максимальная скорость кабины лифта при использовании ускорения 1 g составит 60 км/с. Если в момент достижения большой скорости груз отцепить от лифта, то он продолжит свой путь в космос по инерции. Скорость 60 км/с достаточна даже для преодоления силы притяжения Солнца, и ее вполне хватит для любых межпланетных миссий, в том числе и для перелетов к Марсу. Впрочем, если разгонять кабину лифта с бóльшим ускорением, то можно будет достичь и более высоких скоростей полета.
С помощью космического лифта в космос могут быть выведены готовые блоки межпланетного корабля, и уже вне Земли произведена их окончательная сборка. Для «космического стапеля» удобно использовать точку либрации, в которой притяжение Земли и притяжение Луны уравновешивают друг друга, и где очень удобно собирать конструкции любых габаритов и любой массы. В этом плане космический лифт «Земля-Луна» тоже очень привлекателен, так как его трос проходит через точку либрации, и доставка грузов в нее не вызовет трудностей.
Для осуществления космического лифта требуется разработка и освоение трех новых ключевых технологий: изготовления троса длиной 400 тысяч километров из бездефектного волокна из углеродных нанотрубок, создание сверхпроводников, работающих при температуре до 300 К, и маглевов, рассчитанных на космические скорости перемещения.
Если эти ключевые технологии будут освоены, то попутно окажется решенной задача радиационной защиты космических кораблей. С помощью сверхпроводников можно будет создать вокруг кораблей достаточно мощное магнитное поле для защиты от потоков заряженных частиц. Для обеспечения безопасности пилотируемых миссий к Марсу на его орбиту могут быть доставлены запасы топлива, воды, кислорода и аварийно-спасательная техника. Все это позволит гарантировать благополучное проведение пилотируемых полетов на Марс. Но появляется еще одна возможность возвращения с Марса: космический лифт к его спутнику Фобос. Фобос в 5,6 миллионов раз меньше Луны по массе, но находится тоже почти на круговой орбите радиусом 9400 км, имеющей наклон всего 1º к плоскости марсианского экватора и всегда обращен к Марсу одной стороной. Орбитальная скорость Фобоса равна 2,14 км/с. Если из середины обращенной к Марсу стороны Фобоса опустить трос к поверхности Марса, то скорость нижней части троса относительно марсианского экватора составит почти 2 км/с. Достичь такую скорость неизмеримо легче, чем первую космическую, которая на Марсе составляет 5 км/с. Кроме того, для достижения полетной скорости к Земле можно будет воспользоваться той же лифтовой системой, как и в случае лунного лифта. Хотя масса Фобоса значительно меньше лунной, она все же достаточно велика, чтобы осуществить несколько тысяч транспортных операций прежде, чем возникнет необходимость в восстановлении изменившейся орбиты этого спутника.
Очень может быть, что марсианскую версию космического лифта окажется удобнее реализовать на другом спутнике Марса – Деймосе. Деймос имеет массу в 7 раз меньше, чем Фобос, его круговая орбита радиусом 23,5 тыс. км имеет совсем ничтожный эксцентриситет, и он тоже обращен к Марсу одной стороной. Скорость орбитального движения Деймоса – чуть больше 1 км/сек. У поверхности Марса скорость лифтового троса окажется почти такой же, но она будет в 5 раз меньше первой космической! Правда, из-за малой массы Деймоса его орбита будет сильнее изменяться в результате транспортных операций, и чаще требовать коррекции.
Технологии, необходимые для строительства космических лифтов, могут получить неожиданное применение в технике межпланетных полетов. Если с помощью сверхпроводящих тросов и маглевов можно ускорять и замедлять движение кабины лифта, то что мешает применить их для межпланетной навигации? Мы предложили применять их для торможения космических аппаратов возле астероидов [2]. Если с аппарата, пролетающего мимо космического тела (астероида или кометного ядра), выстрелить в него гарпунной пушкой и закрепить через гарпун конец тормозного троса в массивном теле, то КА может тормозиться о трос совершенно также, как кабина космического лифта. На то, чтобы затормозить КА, имеющий скорость встречи с астероидом 10 км/с, применяя торможение 1 g, потребуется 1000 секунд; тормозной путь составит 5 000 км. Такую минимальную длину должен иметь гарпунный трос на борту КА для полного торможения. Столь длинный трос из углеродных нанотрубок толщиной 1 мм будет иметь массу около 160 кг, что заметно меньше, чем масса топлива для тормозного двигателя, необходимая для торможения.
Во время кратковременного торможения выделится огромная энергия, равная кинетической энергии КА. Если бы ее удалось хотя бы частично аккумулировать, то ее можно было бы использовать для разгона КА на траекторию возвращения, используя тот же трос. После разгона КА трос можно будет отсоединить от гарпуна и сохранить на борту аппарата для повторного использования с другим гарпуном.
Сегодня неизвестны ни способы обратимой аккумуляции кинетической энергии летящего с космической скоростью аппарата, ни даже подходы к решению этой задачи. Возможно, применение сверхпроводимости со временем откроет к ним путь. Однако лучше рассеять эту энергию любым способом, чем расходовать ракетное топливо на торможение. Кроме того, во время тросового торможения часть кинетической энергии КА через трос передастся на астероидное тело. Точным расчетом можно так осуществлять торможение космических аппаратов возле Марса, используя его спутники Фобос или Деймос, чтобы одновременно корректировать их орбиты, и обеспечить неограниченные во времени возможности использования лифтовых систем возле Марса. В приведенном примере рассмотрена скорость сближения 10 км/с; при движении к Марсу по баллистической траектории эта скорость должна быть на порядок ниже, что сильно упростит технику тросовых операций.
Крайне благоприятное расположение Луны около Земли и Фобоса с Деймосом возле Марса открывает заманчивые перспективы перелетов между Землей и Марсом с минимальным использованием традиционных реактивных двигателей. Они заслуживают того, чтобы разработать технику тросовых космических подъемников в самые короткие сроки. Широкое применение лунного космического лифта, во всяком случае, позволит обеспечить доставку больших масс с Земли в околоземное пространство и создать там необходимый запас материалов для подготовки пилотируемой экспедиции к Марсу и обеспечения ее безопасности для космонавтов.
Разработка новых технологий, необходимых для реализации лунного лифта, глубоко затронет многие стороны нашей технологической цивилизации, изменит культуру использования ресурсов нашей планеты и даже создаст дополнительные возможности для устойчивого развития земной цивилизации [3]. Разработка и промышленное освоение сверхпроводящих материалов, устойчиво работающих при высокой температуре (до 300 К, в отличие от известных сегодня веществ, проявляющих сверхпроводящие свойства при криогенных температурах) приведет к полному отказу от высоковольтных линий электропередач. Последние не только дороги в строительстве и эксплуатации, но и весьма неэкономичны: на передаче электроэнергии от электростанции до конечного потребителя теряется в среднем 40% произведенной энергии. Мы могли бы, не наращивая мощности электростанций, потреблять почти в полтора раза больше энергии, чем сегодня, или во столько же раз уменьшить расходование нефти, угля и газа с соответствующим снижением вредных выбросов тепла и парниковых газов в атмосферу.
Сверхпроводники и маглевы позволят реорганизовать наземный транспорт. Если вместо автомобильных и железных дорог проложить тоннели, облицованные сверхпроводниками, то по ним смогут двигаться вагоны или кабины со скоростями во много раз превышающими скорости самых быстрых поездов и автомобилей. Один такой тоннель обеспечит грузопоток, эквивалентный пропускной способности дюжины рельсовых путей и десятка автомобильных полос вместе взятых. Транспортировка грузов и пассажиров по таким тоннелям может быть сформирована по типу управляемых каналов сортировки почтовых отправлений в центрах почтовой системы: каждая кабина или грузовой вагон могут быть доставлены без пересадок от места отправления до места назначения. Скажем, из спального района с комфортными условиями проживания люди смогут за считанные минуты добираться до места работы или учебы, а вагоны с товарами – прямо от завода до магазина.
В настоящее время ключевые технологии для создания лунного лифта еще не разработаны. В отношении углеродных нанотрубок, необходимых для создания троса лунного лифта, достигнут определенный прогресс [4]. Бездефектные нанотрубки уже могут изготавливаться длиной в несколько миллиметров, и нет никаких принципиальных ограничений для создания технологий их производства неограниченной длины.
В отношении высокотемпературных сверхпроводников прогресс пока невелик. Два десятилетия назад были получены искусственные керамики [5], проявлявшие сверхпроводимость при температурах, превышающих криогенные. К сожалению, получение сверхпроводящих керамик с устойчивой сверхпроводимостью тогда не случилось. Сейчас теоретики пытаются разработать теорию сверхпроводимости, чтобы перейти от эмпирического поиска нужных материалов к научно обоснованному [6]. Важность решаемой ими задачи такова, что в ближайшие десятилетия ее решение будет найдено.
Человечество стоит на пороге нового технологического прорыва. Новые технологии окажут глубокое влияние на все стороны земной цивилизации, в том числе и на космические полеты. Благодаря им пилотируемые полеты к Марсу скоро станут реальностью.
Литература:
- Багров А.А., Багров А.В., Леонов В.А. Патент на полезную модель RU 121233 «ТРАНСПОРТНАЯ СИСТЕМА «ЗЕМЛЯ-ЛУНА»./ Опубликовано 20.10.2012. Бюлл. № 29.
- Багров А.В., Леонов В.А. КОСМИЧЕСКАЯ ПРАЩА: движение в межпланетном пространстве безреактивным способом / Доклад на Секции "К.Э. Циолковский и механика космического полета" XLVI Научных Чтениях памяти К.Э.Циолковского 2011 г // http://readings.gmik.ru/lecture/2011-KOSMICHESKAYA-PRASCHA
- А.В. Багров. Что может значить Луна для человечества? / Всероссийская конференция «Космонавтика и общество: проблемы и решения», посвященная Юбилею первой женщины-космонавта Валентины Владимировны Терешковой. // сборник материалов конференции. Ярославль: «ИНДИГО», 2012. – с.11-16.
- De Volder M. F. L. et al. Carbon Nanotubes: Present and Future Commercial Applications. // Science 1 February 2013: Vol. 339 no. 6119 pp. 535-539.
- А.И. Головашкин. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ КЕРАМИКИ. // УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК, 1987 г. Том 152, вып.4 – с.553-572
- Д.Д. Гуламова и др. Фазовый состав и свойства сверхпроводящей керамики на основе прекурсоров Bi1.7Pb0.3Sr2Ca2Cu3Oy , полученных закалкой расплава на солнечной печи. // Журнал технической физики, 2009, том 79, вып. 6. – с.98-102.