От фантастики к реальности

КОСМИЧЕСКИЙ ЛИФТ - это лента, один конец которой присоединен к поверхности Земли, а другой находится на геосинхронизированной орбите в космосе (на высоте 100 000 км). Гравитационное притяжение нижнего конца ленты компенсируется силой, вызванной центростремительным ускорением верхнего конца. Таким образом лента постоянно находится в натянутом состоянии. Изменяя длину ленты, можно достигать разных орбит. Космическая капсула, содержащая полезный груз, будет передвигаться вдоль ленты. Для начального старта капсулы потребуется усилие, но, как только она будет приближаться к концевой станции, ее скорость будет увеличиваться из-за центростремительного ускорения всей системы. На конечной станции, если это необходимо, капсула отсоединяется от лифта и выходит в открытый космос. Скорость капсулы при этом будет составлять 11 км/с. Этой скорости будет достаточно для того, чтобы начать путешествие к Марсу и другим планетам. Таким образом, затраты на пуск капсулы будут только в начале ее пути на орбиту. Спуск будет производиться в обратном порядке - в конце спуска капсулу будет ускорять гравитационное поле Земли. Можно использовать космический лифт в качестве пусковой платформы для космических кораблей, запускаемых к другим планетам, спутникам и астероидам (Марсу, Венере, Луне). Это поможет сократить расходы, связанные с традиционным запуском химических ракет. Также можно построить лифт грузоподъемностью до 100 тонн, что позволит строить на орбите большие колонии и орбитальные станции.

Нанотрубки: новые материалы

Для того чтобы выйти в космическое пространство, не обязательны опасное путешествие на ракете, хорошее здоровье, крепкие нервы и много денег. Исследователи предлагают использовать Космический лифт . Сегодня, для того, чтобы выйти в космическое пространство, необходимо проделать опасное путешествие на ракете. Для того, чтобы вас взяли в космос, нужно хорошее здоровье, крепкие нервы и много денег. Исследователи из NASA и компания LiftPort Inc. предлагают упростить вывод крупных объектов на орбиту, используя систему, названную ими Космическим лифтом .
NASA и космический центр Джонсона составили договор о совместном развитии и применении высоких технологий и, в частности, нанотехнологий для исследования космического пространства. В планах NASA - упростить вывод космических аппаратов на орбиту с помощью космического лифта на основе нанотрубок. По сообщениям пресс-службы NASA, нанотехнологии и биомиметика станут неотъемлемой частью будущих космических проектов. Космический центр Джонсона (JSC)

делает упор на развитие технологий, ориентированных на использование углеродных нанотрубок. Сейчас JSC работает над усовершенствованием технологий массового производства однослойных углеродных нанотрубок.
Нанотрубки характеризуются высокой жесткостью, и поэтому материалы на их основе могут вытеснить большинство современных аэроконструкционных материалов. Композиты на основе нанотрубок позволят уменьшить вес современных космических аппаратов почти вдвое. Исследователи из NASA и компания LiftPort Inc. предлагают упростить вывод крупных объектов на орбиту, используя систему, названную ими Космическим лифтом . Вот как объясняет концепцию космического лифта доктор Брэдли Эдвардс в отчете NIAC:
Однослойные углеродные нанотрубки, изобретенные в 1991 году, достаточно прочны для того, чтобы служить основой ленты лифта. Они прочнее стали в 100 раз и, теоретически, в 3-5 раз прочнее, чем необходимо для постройки лифта. Правда, самые длинные нанотрубки, которые удалось изготовить, имеют длину в несколько сантиметров. А это даже не километр, не говоря уже о 100 тыс. километрах. Но совсем нет необходимости делать всю ленту длиной 100 тыс. км из цельных нанотрубок. Отдельные фракции, состоящие из нанотрубок длиной до 2 сантиметров, будут иметь такую же прочность на разрыв, как и длинные. Правда, исследователи из LiftPort еще только пытаются найти методы соединения фракций в более длинные полосы без потери прочности. Как они утверждают, лента будет представлять собой полимерную структуру с включениями нанотрубок. Для ленты космического лифта алмазоид был бы универсальным материалом. Он будет характеризоваться большей прочностью, но, опять-таки, пока нет эффективных способов получения и массового производства алмазоидных материалов.
Однако первые успехи в области сверхпрочных материалов из нанотрубок уже достигнуты. Две различные команды исследователей из США и Австралии создали прозрачную ткань, состоящую из нанотрубок длиной 1 м и шириной 5 см. Ранее ученым удавалось получить нанотрубки длиной только несколько сантиметров. Как и ожидалось, лента обладает высокой прочностью. Соотношение прочность/вес материала ленты выше, чем у стали высокой закалки. При этом ткань можно оборудовать органическими светодиодами, превратив ее в гибкий сверхтвердый OLED-экран.
Наноткань - это, конечно, не массив цельных нанотрубок, а композит, состоящий из переплетенного леса многослойных нанотрубок длиной 245 мкм и диаметром 10 нм. Образец таких спутанных нанотрубок длиной всего 1 см может развернуться в трехметровую ленту 18-микронной толщины. Если же использовать пластиковый цилиндр в качестве валка, по которому протягивается лента, то исходный материал можно раскатать до длины 10 м. Оборудование ученых обеспечивало разворачивание леса до 1 м в минуту.

Нанотрубки также будут весьма полезны при разработке наноэлектронных устройств, сверхмощных компьютеров и устройств памяти. Кроме этого, покрытые специальными белками нанотрубки могут входить в качестве ключевых компонентов в конструкцию биочипов-анализаторов. Космический центр JSC опубликовал также основные цели сотрудничества с NASA:
- Получить надежную технологию массового производства нанотрубок с заданными свойствами: длиной, чистотой, диаметром и хиральностью. Составить математическую модель процесса с тем, чтобы в будущем контролировать производство нанотрубок и улучшать их параметры.
- Разработать и внедрить технологии тестирования и исследования нанотрубок и наноразмерных материалов.
- Разработать несколько методов производства нанотрубок, позволяющих изменять их химические, тепловые, электрические и физические свойства.
- Провести первоначальные исследования областей применения наноразмерных материалов.
- Сформировать научную сеть академических, производственных и государственных организаций для поддержки проекта.
NASA и до обьявления о новом сотрудничестве занималось практическим внедрением нанотехнологий в аэрокосмическую отрасль. Надо полагать, что с этого момента в освоении космоса начинаются активно внедряться самые передовые технологии. Учитывая национальные приоритеты США в аэрокосмической области и объявление о начале новой космической программы президентом Бушем, можно ожидать появления в недалеком будущем нового класса устройств и материалов, разработанных с помощью нанотехнологий.
Как вы собираетесь сохранять угловой момент постоянным? Большей частью мы полагаемся на то, что это сделает Земля. Но мы предусмотрели тяжелые якоря на обоих концах лифта для того, чтобы увеличить инерцию системы и, таким образом, держать ее в равновесии.
Что случится, если порвется лента? Начнем с того, что спроектированная лента будет вдвое жестче, чем это необходимо. Погодные условия в месте, выбранном для расположения космического лифта, будут исключать возможность ураганов и молний. Скорее всего, станция лифта будет расположена в океане. Но все же, что произойдет, если лента порвется? Большая часть ленты улетит в космическое пространство, причем некоторая ее часть сгорит от высокой скорости полета в атмосфере. Нижняя часть ленты упадет в океан. Не загрязнит ли лента и ее несгоревшие в атмосфере остатки океан? Вряд ли, так как вес километра ленты - 7,5 кг. При падении с высоты, лента не разовьет большей скорости, чем раскрытая падающая газета. Посторонний наблюдатель увидит, скорее всего, только яркую полоску через все небо (от сгоревшей ленты), и все. Конечно, куски ленты будут долго находиться во взвешенном состоянии в воздухе. Наибольшую опасность представляют собой транспортируемые грузы, потерявшие связь с лифтом. Грузы, достигшие орбит, останутся на орбитах. Те грузы, которые только начали движение упадут вниз. Некоторые из грузов, достигшие скорости 11 км/с вылетят в открытый космос.
Будет ли ветер на больших высотах проблемой? Математическое моделирование показало, что предложенная в конструкции лифта лента разорвется при скорости 72 м/с, т.е. при 5-бальном ветре, или урагане. Предложенное расположение лифта (на платформе в океане) не будет находиться в зоне сильных ветров и ураганов.
Будет ли лента производить электрический ток из-за разности потенциалов? Будет ли лента длиной 100000 км представляет собой электрическую угрозу? В этой проблеме есть несколько аспектов. Электрический ток по ленте космического лифта может течь только благодаря: 1) электрическим свойствам земной атмосферы; 2) перекачивании через лифт космической плазмы; 3) постоянном пересечении лифтом магнитных полей Земли.
Атмосфера Земли содержит регионы разного заряда, которые все время находятся в движении. Они могут дать разность потенциалов, но только на малых дистанциях. Когда идет гроза и перемещение зарядов затрагивает большие дистанции, есть возможность того, что молния повредит ленту лифта, но как было сказано выше, конструкторы постараются так выбрать место расположения базовой станции, чтобы исключить возможность грозы. Базовая станция будет расположена на корабле, поэтому лифт будет обладать мобильностью , и сможет, при необходимости, передвинуться, избегая шторма.
Заряды, связанные с космической плазмой, могут собираться на верхней станции лифта. Но ток, провоцируемый ими настолько мал, что не сравним с током, полученным от присоединения к противоположным концам ленты обычной батарейки. Малое количество зарядов позволяет не учитывать эту опасность.
При пересечении магнитных полей проводником, в нем производится электрический ток. В нашем случае лента неподвижна по отношению к магнитному полю Земли, и электрический ток, производимый в ленте будет очень мал. поэтому этой опасностью тоже можно пренебречь. В современный телевышках электрический ток, производимый магнитными полями земли, практически отсутствует.
Будут ли различные объекты задевать ленту? Будет ли космический мусор и спутники проблемой? Космические объекты, находящиеся на низкой орбите Земли (Low Earth Orbit - LEO) будут составлять серьезную проблему. Для того, чтобы лифт не сталкивался с различными объектами, будет предусмотрена система активного избегания препятствий. В среднем, необходимо будет избегать различных объектов один раз в 14 часов. Для построения системы отклонения необходимо разработать систему трассирования объектов, работающую с точностью до 1 сантиметра. Разработка такой системы входит в план исследований компании LiftPort. Существует несколько концепций построения космического лифта. В некоторых предлагается свободный конец ленты присоединять к астероиду. Этим решается проблема противовеса и добыча с астероида полезных ископаемых. Некоторые проекты предлагают протянуть кабель толщиной от 10 до 30 метров в диаметре. Как говорят специалисты из LiftPort, это просто невозможно реализовать.

Новые технологии для космоса

Правда, если бы не быстрое развитие нанотехнологий и открытие нанотрубок, концепция космического лифта не продвинулась бы дальше научной фантастики. Надо сказать, что идее космического лифта уже больше ста лет. Впервые о подъемнике такого рода заговорил в 1895 году Константин Циолковский. Основоположник современной космонавтики предложил построить башню высотой в тысячи километров, которая должна была быть укреплена на какой-либо тверди на околоземной орбите. Самым прочным материалом в то время была сталь, но для строительства башни она была слишком тяжела.
Однослойные углеродные нанотрубки, изобретенные в 1991 году, достаточно прочны для того, чтобы служить основой ленты лифта. Они прочнее стали в 100 раз. Теоретически, они в 3-5 раз прочнее, чем надо для постройки лифта.
Компания настроена вполне оптимистично, так как недавно стало известно о новых технологиях в производстве нанотрубок. Так, ученые из Кембриджского университета разработали способ формирования пряжи из длинных волокон, которые состоят из нанотрубок. Алан Уиндл (Alan Windle) и его коллеги из Кембриджа для изготовления пряжи использовали свежеприготовленные нанотрубки.
Исходный материал - нанотрубки - обрабатывают этанолом, который в дальнейшем служит источником углерода, затем добавляют катализатор (ферроцен) и еще один реагент - тиофен. Смесь загружают в горячую печь, куда постоянно подают водород. Продукт получают в форме спутанных волокон, по виду похожих на сахарную вату. Затем эти волокна наматывают на вращающиеся стержни, в итоге получались скрученные волокна.
Ученые признают, что создан лишь прототип новой технологии. Да и прочность полученного волокна пока не впечатляет - она не сильно отличается от прочности традиционных волокон. Однако уже видны различные пути увеличения прочности, например, за счет ориентирования углеродных трубок в одном направлении. Если прочность удастся повысить в 10 раз, то это значение приблизится к прочности углеродных волокон, а само производство волокна при этом может оказаться более дешевым за счет использования более дешевых компонентов. Пока не ясно, можно ли этим способом создать такой канат, который по прочности на разрыв будет сопоставим с прочностью самих нанотрубок. Но если это удастся сделать, то компания LiftPort получит шанс на сокращение срока постройки лифта.
В 2000 году доктор Брэд Эдвардс выпустил отчет, в котором говорилось что предварительные исследования по построению космического лифта проделаны. Далее, Мишелем Лэйном в Сиэтле была основана компания HighLift Systems, которой NASA выделила финансирование для разработки и постройки космического лифта. Как планирует компания LiftPort Inc., космический лифт будет построен, опробован и запущен в работу через 15 лет. В первые шесть лет компания будет привлекать инвестиции, с шестого года по десятый разрабатывать конструкцию лифта, и, наконец, в оставшиеся года будет проходить непосредственно постройка.