Сегодня освоение космоса – не просто всемирная идея, это цель, к которой стремится каждое отдельное государство и их коалиции в целом. Для дальнейшего изучения космоса, а также успешной колонизации планет, требуется интенсивное развитие технологий, которые могут за собой повлечь возникновение новых инструментов, средств и методов передвижения в космическом пространстве. Эксперименты, способствующие развитию подобных технологий, проводятся на орбитальных станциях вроде МКС или Тяньгун.

По этой причине, внушительная часть сегодняшних исследований в области космонавтики, направлена на повышение продуктивности работы этих станций и их экипажа, а также на снижение стоимости эксплуатации станций и обслуживания человеческого ресурса. Далее, нами рассматривается один из наиболее амбициозных и масштабных проектов в этой области – космический лифт.

Основная цель постройки космического лифта заключается в снижении стоимости доставки грузов на орбиту Земли. Дело в том, что доставка какого-либо груза на орбитальную станцию, при помощи транспортных космических аппаратов, залача достаточно затратная. Например, один из транспортных кораблей НАСА, разработанный компанией SpaceX – Dragon, требует для своего запуска затраты в размере около 133 млн. долларов, при этом во время последней миссии («SpaceX CRS-9») корабль был загружен на 5000 фунтов (2268 кг). Таким образом, если подсчитать стоимость одного фунта, то она составит 58,6 тыс. долларов за 1 кг.

Космический лифт в представлении художника

Замысел астроинженерного сооружения по выведению грузов на планетарную орбиту или даже за её пределы. Впервые подобную мысль высказал Константин Циолковский в 1895 году , детальную разработку идея получила в трудах Юрия Арцутанова. Гипотетическая конструкция основана на применении троса, протянутого от поверхности планеты к орбитальной станции находящейся на ГСО. Предположительно, такой способ в перспективе может быть на порядки дешевле использования ракет-носителей.
Трос удерживается одним концом на поверхности планеты (Земли), а другим - в неподвижной над планетой точке выше геостационарной орбиты (ГСО) за счёт центробежной силы. По тросу поднимается подъёмник, несущий полезный груз. При подъёме груз будет ускоряться за счёт вращения Земли, что позволит на достаточно большой высоте отправлять его за пределы тяготения Земли.
От троса требуется чрезвычайно большая прочность на разрыв в сочетании с низкой плотностью. Углеродные нанотрубки по теоретическим расчётам представляются подходящим материалом. Если допустить пригодность их для изготовления троса, то создание космического лифта является решаемой инженерной задачей, хотя и требует использования передовых разработок и больших затрат иного рода. Создание лифта оценивается в 7-12 млрд долларов США. НАСА уже финансирует соответствующие разработки американского Института научных исследований, включая разработку подъёмника, способного самостоятельно двигаться по тросу.
Содержание [убрать]
1 Конструкция
1.1 Основание
1.2 Трос
1.2.1 Утолщение троса
1.3 Подъёмник
1.4 Противовес
1.5 Угловой момент, скорость и наклон
1.6 Запуск в космос
2 Строительство
3 Экономика космического лифта
4 Достижения
5 Литература
6 Космический лифт в различных произведениях
7 См. также
8 Примечания
9 Ссылки
9.1 Организации
9.2 Разное
Конструкция

Есть несколько вариантов конструкции. Почти все они включают основание (базу), трос (кабель), подъёмники и противовес.
Основание
Основание космического лифта - это место на поверхности планеты, где прикреплён трос и начинается подъём груза. Оно может быть подвижным, размещённым на океанском судне.
Преимущество подвижного основания - возможность совершения маневров для уклонения от ураганов и бурь. Преимущества стационарной базы - более дешёвые и доступные источники энергии, и возможность уменьшить длину троса. Разница в несколько километров троса сравнительно невелика, но может помочь уменьшить требуемую толщину его средней части и длину части, выходящей за геостационарную орбиту.
Трос
Трос должен быть изготовлен из материала с чрезвычайно высоким отношением предела прочности к удельной плотности. Космический лифт будет экономически оправдан, если можно будет производить в промышленных масштабах за разумную цену трос плотности, сравнимой с графитом, и прочностью около 65–120 гигапаскалей.
Для сравнения, прочность большинства видов стали - около 1 ГПа, и даже у прочнейших её видов - не более 5 ГПа, причём сталь тяжела. У гораздо более лёгкого кевлара прочность в пределах 2,6-4,1 ГПа, а у кварцевого волокна - до 20 ГПа и выше. Теоретическая прочность алмазных волокон может быть немногим выше.
Углеродные нанотрубки должны, согласно теории, иметь растяжимость гораздо выше, чем требуется для космического лифта. Однако технология их получения в промышленных количествах и сплетения их в кабель только начинает разрабатываться. Теоретически их прочность должна быть более 120 ГПа, но на практике самая высокая растяжимость однослойной нанотрубки была 52 ГПа, а в среднем они ломались в диапазоне 30–50 ГПа. Самая прочная нить, сплетённая из нанотрубок, будет менее прочной, чем ее компоненты. Исследования по улучшению чистоты материала трубок и по созданию разных их видов продолжаются.
В большинстве проектов космического лифта применяются однослойные нанотрубки. У многослойных выше прочность, но они тяжелее, и их отношение прочности к плотности ниже. Возможный вариант - использовать соединение однослойных нанотрубок под высоким давлением. При этом хотя и теряется прочность из-за замещения sp²-связи (графит, нанотрубки) на sp³-связь (алмаз), они будут лучше удерживаться в одном волокне силами Ван-дер-Ваальса и дадут возможность производить волокна произвольной длины.[источник не указан 810 дней]

Дефекты кристаллической решётки снижают прочность нанотрубок
В эксперименте учёных из Университета Южной Калифорнии (США) однослойные углеродные нанотрубки продемонстрировали удельную прочность, в 117 раз превышающую показатели стали и в 30 - кевлар. Удалось выйти на показатель в 98,9 ГПа, максимальное значение длины нанотрубки составило 195 мкм.
Технология плетения таких волокон ещё только зарождается.
По заявлениям некоторых учёных, даже углеродные нанотрубки никогда не будут достаточно прочны для изготовления троса космического лифта.
Эксперименты ученых из Технологического университета Сиднея позволили создать графеновую бумагу. Испытания образцов внушают оптимизм: плотность материала в пять-шесть раз ниже, чем у стали, при этом прочность на разрыв в десять раз выше, чем у углеродистой стали. При этом графен является хорошим проводником электрического тока, что позволяет использовать его для передачи мощности подъемнику, в качестве контактной шины.
Утолщение троса

Проверить информацию.

Космический лифт должен выдерживать по крайней мере свой вес, весьма немалый из-за длины троса. Утолщение с одной стороны повышает прочность троса, с другой - прибавляет его вес, а следовательно и требуемую прочность. Нагрузка на него будет различаться в разных местах: в одних случаях участок троса должен выдерживать вес сегментов, находящихся ниже, в других - выдерживать центробежную силу, удерживающую верхние части троса на орбите. Для удовлетворения этому условию и для достижения оптимальности троса в каждой его точке, толщина его будет непостоянной.
Можно показать, что с учётом гравитации Земли и центробежной силы (но не учитывая меньшее влияние Луны и Солнца), сечение троса в зависимости от высоты будет описываться следующей формулой:

Здесь A ® - площадь сечения троса как функция расстояния r от центра Земли.
В формуле используются следующие константы:
A0 - площадь сечения троса на уровне поверхности Земли.
ρ - плотность материала троса.
s - предел прочности материала троса.
ω - круговая частота вращения Земли вокруг своей оси, 7,292×10−5 радиан в секунду.
r0 - расстояние между центром Земли и основанием троса. Оно приблизительно равно радиусу Земли, 6 378 км.
g0 - ускорение свободного падения у основания троса, 9,780 м/с².
Это уравнение описывает трос, толщина которого сначала экспоненциально увеличивается, потом её рост замедляется на высоте нескольких земных радиусов, а потом она становится постоянной, достигнув в конце концов геостационарной орбиты. После этого толщина снова начинает уменьшаться.
Таким образом, отношение площадей сечений троса у основания и на ГСО (r = 42 164 км) есть:
Подставив сюда плотность и прочность стали и диаметр троса на уровне Земли в 1 см, мы получим диаметр на уровне ГСО в несколько сот километров, что означает, что сталь и прочие привычные нам материалы непригодны для строительства лифта.
Отсюда следует, что есть четыре способа добиться более разумной толщины троса на уровне ГСО:
Использовать менее плотный материал. Поскольку плотность большинства твёрдых тел лежит в относительно небольшом диапазоне от 1000 до 5000 кг/м³, здесь вряд ли получится чего-то добиться.
Использовать более прочный материал. В этом направлении в основном и идут исследования. Углеродные нанотрубки в десятки раз прочнее лучшей стали, и они позволят значительно уменьшить толщину троса на уровне ГСО.
Поднять повыше основание троса. Из-за наличия экспоненты в уравнении даже небольшое поднятие основания позволит сильно понизить толщину троса. Предлагаются башни высотой до 100 км , которые, кроме экономии на тросе, позволят избежать влияния атмосферных процессов.
Сделать основание троса как можно тоньше. Он все равно должен быть достаточно толстым, чтобы выдержать подъёмник с грузом, так что минимальная толщина у основания также зависит от прочности материала. Тросу из углеродных нанотрубок достаточно иметь у основания толщину всего в один миллиметр.
Ещё способ - сделать основание лифта подвижным. Движение даже со скоростью 100 м/с уже даст выигрыш в круговой скорости на 20% и сократит длину кабеля на 20-25%, что облегчит его на 50 и более процентов. Если же «заякорить» кабель на сверхзвуковом[источник не указан 664 дня] самолёте, или поезде, то выигрыш в массе кабеля уже будет измеряться не процентами, а десятками раз (но не учтены потери на сопротивление воздуха).
Подъёмник

Проверить информацию.
Необходимо проверить точность фактов и достоверность сведений, изложенных в этой статье.
На странице обсуждения должны быть пояснения.

Стиль этого раздела неэнциклопедичен или нарушает нормы русского языка.
Следует исправить раздел согласно стилистическим правилам Википедии.

Концептуальный рисунок космического лифта, поднимающегося через облака
Космический лифт не может работать как обычный лифт (с движущимися тросами), поскольку толщина его троса непостоянна. Большинство проектов предлагает использовать подъёмник, забирающийся вверх по неподвижному тросу, хотя предлагались также варианты использования небольших сегментированных подвижных тросов, протянутых вдоль основного троса.
Предлагаются различные способы конструкции подъёмников. На плоских тросах можно использовать пары роликов, держащихся за счёт силы трения. Другие варианты - движущиеся спицы с крючками на пластинах, ролики с выдвижными крючками, магнитная левитация (маловероятна, поскольку на тросе придётся закреплять громоздкие пути) и пр.[источник не указан 661 день]
Серьёзная проблема конструкции подъёмника - источник энергии[источник не указан 661 день]. Плотность хранения энергии вряд ли когда-либо будет достаточно велика, чтобы подъёмнику хватило энергии на подъем по всему кабелю. Возможные внешние источники энергии - лазерные или микроволновые лучи. Другие варианты - использование энергии торможения подъёмников, движущихся вниз; разница в температурах тропосферы; ионосферный разряд и т.д. Основной вариант[источник не указан 661 день] (лучи энергии) обладает серьёзными проблемами, связанными с эффективностью и диссипацией тепла на обоих концах, хотя, если оптимистично относиться к будущим технологическим достижениям, он реализуем.
Подъёмники должны следовать на оптимальной дистанции друг за другом, чтобы минимизировать нагрузку на трос и его осцилляции и максимизировать пропускную способность. Самая ненадёжная область троса - вблизи его основания; там не должно находиться более одного подъёмника[источник не указан 661 день]. Подъёмники, движущиеся только вверх, позволят увеличить пропускную способность, но не дадут использовать энергию торможения при движении вниз, а также не смогут возвращать людей на землю. Кроме того, компоненты таких подъёмников должны использоваться на орбите для других целей. В любом случае, маленькие подъёмники лучше больших, потому что расписание их движения будет более гибким, но они накладывают больше технологических ограничений.
Кроме того, сама нить лифта будет постоянно испытывать на себе действие как силы Кориолиса, так и атмосферных потоков. Мало того, поскольку «подъёмник» должен быть расположен выше высоты геостационарной орбиты, он будет подвержен постоянным нагрузкам, в том числе пиковым, например, рывковым[источник не указан 579 дней].
Тем не менее, если вышеизложенные препятствия могут быть каким-либо образом устранены, то космический лифт может быть реализован. Однако такой проект будет крайне дорогостоящим, но в будущем, возможно, будет конкурировать с одноразовыми и многоразовыми космическим аппаратами[источник не указан 579 дней].
Противовес

В этой статье не хватает ссылок на источники информации.
Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка стоит на статье с 13 мая 2011.
Противовес может быть создан двумя способами - путём привязки тяжёлого объекта (например, астероида) за геостационарной орбитой или продолжения самого троса на значительное расстояние за геостационарную орбиту. Второй вариант пользуется большей популярностью в последнее время, поскольку его легче осуществить, а кроме того, с конца удлинённого троса проще запускать грузы на другие планеты, поскольку он обладает значительной скоростью относительно Земли.
Угловой момент, скорость и наклон

Эта статья или раздел нуждается в переработке.
Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей.

При движении подъёмника вверх лифт наклоняется на 1 градус, поскольку верхняя часть лифта движется вокруг Земли быстрее, чем нижняя (эффект Кориолиса). Масштаб не сохранен
Горизонтальная скорость каждого участка троса растет с высотой пропорционально расстоянию до центра Земли, достигая на геостационарной орбите первой космической скорости. Поэтому при подъёме груза ему нужно получить дополнительный угловой момент (горизонтальную скорость).
Угловой момент приобретается за счёт вращения Земли. Сначала подъёмник движется чуть медленнее троса (эффект Кориолиса), тем самым «замедляя» трос и слегка отклоняя его к западу. При скорости подъёма 200 км/ч трос будет наклоняться на 1 градус. Горизонтальная компонента натяжения в невертикальном тросе тянет груз в сторону, ускоряя его в восточном направлении (см. диаграмму) - за счёт этого лифт приобретает дополнительную скорость. По третьему закону Ньютона трос замедляет Землю на небольшую величину.
В то же время влияние центробежной силы заставляет трос вернуться в энергетически выгодное вертикальное положение, так что он будет находиться в состоянии устойчивого равновесия. Если центр тяжести лифта будет всегда выше геостационарной орбиты независимо от скорости подъёмников, он не упадет.
К моменту достижения грузом ГСО его угловой момент (горизонтальная скорость) достаточна для вывода груза на орбиту.
При спуске груза будет происходить обратный процесс, наклоняя трос на восток.
Запуск в космос
На конце троса высотой в 144 000 км тангенциальная составляющая скорости составит 10,93 км/с, что более чем достаточно, чтобы покинуть гравитационное поле Земли и запустить корабли к Сатурну. Если объекту позволить свободно скользить по верхней части троса, его скорости хватит, чтобы покинуть Солнечную систему. Это произойдет за счёт перехода суммарного углового момента троса (и Земли) в скорость запущенного объекта.
Для достижения ещё больших скоростей можно удлинить трос или ускорить груз за счёт электромагнетизма.
Строительство

Строительство ведётся с геостационарной станции. Это единственное место, где может причалить космический аппарат. Один конец опускается к поверхности Земли,натягиваясь силой притяжения. Другой, для уравновешивания,- в противоположную сторону, натягиваясь центробежной силой. Это означает, что все материалы для строительства должны быть подняты на геостационарную орбиту традиционным способом, независимо от места назначения груза. То есть, стоимость подъёма всего космического лифта на геостационарную орбиту - минимальная цена проекта.
Экономика космического лифта

Предположительно, космический лифт позволит намного снизить затраты на посылку грузов в космос. Строительство космических лифтов обойдётся дорого, но их операционные расходы невелики, поэтому их разумнее всего использовать в течение длительного времени для очень больших объёмов груза. В настоящее время рынок запуска грузов может быть недостаточно велик, чтобы оправдать строительство лифта, но резкое уменьшение цены должно привести к большему разнообразию грузов. Таким же образом оправдывает себя прочая транспортная инфраструктура - шоссе и железные дороги.
Стоимость разработки лифта сравнима со стоимостью разработки космического челнока[источник не указан 810 дней]. Пока ещё нет ответа на вопрос, вернет ли космический лифт вложенные в него деньги или лучше будет вложить их в дальнейшее развитие ракетной техники.
Не следует забывать о лимите количества спутников-ретрансляторов на геостационарной орбите: в настоящее время международными соглашениями допускается 360 спутников - один ретранслятор на угловой градус, во избежание помех при трансляции в полосе Ku-частот. Для C-частот число спутников ограничено 180.
Таким образом, космический лифт минимально пригоден для массовых запусков на геостационарную орбиту[источник не указан 554 дня] и максимально пригоден для освоения внешнего космоса и Луны в частности.
Данное обстоятельство объясняет настоящую коммерческую несостоятельность проекта, так как основные финансовые затраты негосударственных организаций ориентированы на спутники-ретрансляторы, занимающие либо геостационарную орбиту (телевидение, связь), либо более низкие орбиты (системы глобального позиционирования, наблюдения за природными ресурсами и т.п.).
Однако лифт может быть гибридным проектом и помимо функции доставки груза на орбиту оставаться базой для других научно-исследовательских и коммерческих программ, не связанных с транспортом.
Достижения

В США с 2005 года проводятся ежегодные соревнования Space Elevator Games, организованные фондом Spaceward при поддержке NASA. В этих состязаниях существуют две номинации: «лучший трос» и «лучший робот (подъёмник)».
В конкурсе подъёмников робот должен преодолеть установленное расстояние, поднимаясь по вертикальному тросу со скоростью не ниже установленной правилами (в соревнованиях 2007 года нормативы были следующими: длина троса - 100 м, минимальная скорость - 2 м/с). Лучший результат 2007 года - преодолённое расстояние в 100 м со средней скоростью 1,8 м/с.
Общий призовой фонд соревнований Space Elevator Games в 2009 году составлял 4 миллиона долларов.
В конкурсе на прочность троса участникам необходимо предоставить двухметровое кольцо из сверхпрочного материала массой не более 2 грамм, которое специальная установка проверяет на разрыв. Для победы в конкурсе прочность троса должна минимум на 50% превосходить по этому показателю образец, уже имеющийся в распоряжении у NASA. Пока лучший результат принадлежит тросу, выдержавшему нагрузку вплоть до 0,72 тонны.
В этих соревнованиях не принимает участие компания Liftport Group, получившая известность благодаря своим заявлениям запустить космический лифт в 2018 году (позднее этот срок был перенесён на 2031 год). Liftport проводит собственные эксперименты, так в 2006 году роботизированный подъёмник взбирался по прочному канату, натянутому с помощью воздушных шаров. Из полутора километров подъёмнику удалось пройти путь лишь в 460 метров. Следующим этапом компания планирует провести испытания на тросе высотой 3 км.
На соревнованиях Space Elevator Games с 4 по 6 ноября 2009 года прошло состязание, организованное Spaceward Foundation и NASA, в Южной Калифорнии, на территории центра Драйдена (Dryden Flight Research Center), в границах знаменитой авиабазы Эдвардс. Зачётная длина троса составила 900 метров, трос был поднят при помощи вертолета. Лидерство заняла компания LaserMotive представившая подъемник со скоростью 3,95 м/с, что очень близко к требуемой скорости. Всю длину троса лифт преодолел за 3 минуты 49 секунд, на себе лифт нес полезную нагрузку 0,4кг..
В августе 2010 года компания LaserMotive провела демонстрацию своего последнего изобретения на AUVSI Unmanned Systems Conference в Денвере, штат Колорадо. Новый вид лазера поможет более экономично передавать энергию на большие расстояния, лазер потребляет всего несколько ватт.
Литература

Юрий Арцутанов «В космос - на электровозе», газета «Комсомольская правда» от 31 июля 1960 года.
Александр Болонкин «Non-Rocket Space Launch and Flight», Elsevier, 2006, 488 pgs. http://www.scribd.com/doc/24056182
Космический лифт в различных произведениях

Одно из знаменитых произведений Артура Кларка, Фонтаны рая, основано на идее космического лифта. Кроме того, космический лифт фигурирует и в заключительной части его знаменитой тетралогии Космическая Одиссея (3001: Последняя одиссея).
В Battle Angel фигурирует циклопический космический лифт, на одном конце которого находится Небесный Город Салем (для граждан) вместе с нижним городом (для не-граждан), а на другом конце находится космический город Йеру. Аналогичная конструкция находится и на другой стороне Земли.
В сериале «Звёздный путь: Вояджер» в эпизоде 3×19 «Rise» (Подъем) космический лифт помогает экипажу вырваться с планеты с опасной атмосферой.
В игре Civilization IV есть космический лифт. Там он - одно из поздних «Больших чудес».
В фантастическом романе Тимоти Зана «Шелкопряд» («Spinneret», 1985) упоминается планета способная производить супер волокно. Одна из рас заинтересовавшаяся планетой хотела получить это волокно именно для строительства космического лифта.
В дилогии Сергея Лукьяненко «Звёзды - холодные игрушки» одна из внеземных цивилизаций в процессе межзвёздной торговли поставила на Землю сверхпрочные нити, которые могли бы быть использованы для строительства космического лифта. Но внеземные цивилизации настаивали исключительно на использовании их по прямому назначению - для помощи при проведении родов.
В аниме Mobile Suit Gundam 00 присутствуют три космических лифта, на них так же крепится кольцо из солнечных батарей, что позволяет использовать космический лифт ещё и для добычи электроэнергии.
В аниме Z.O.E. Dolores присутствует космический лифт, а также показано что может быть в случае теракта.
В фантастическом романе Дж. Скальци «Обреченные на победу» (англ. Scalzi, John. Old Man’s War) системы космических лифтов активно используются на Земле, многочисленных земных колониях и некоторых планетах других высокоразвитых разумных рас для сообщения с причалами межзвёздных кораблей.
В фантастическом романе Александра Громова «Завтра наступит вечность» сюжет построен вокруг факта существования космического лифта. Существует два устройства - источник и приемник, которые посредством «энергетического луча» способны поднимать «кабину» лифта на орбиту.
В фантастическом романе Аластера Рейнольдса «Город Бездны» дается подробное описание строения и функционирования космического лифта, описан процесс его разрушения (в результате теракта).
В фантастическом романе Терри Пратчетта «Страта» присутствует «Линия» - сверхдлинная искусственная молекула, используемая в качестве космического лифта.
Упоминается в песне группы Звуки Му «Лифт на небо»
Космический лифт упоминается в аниме-сериале Кровь Триединства, в нём противовесом служит космический корабль «Arc».
В самом начале игры Sonic Colors, можно видеть, как Соник и Теилз поднимаются на космическом лифте, чтобы попасть в Парк Доктора Эггмана
См. также

Космическая пушка
Пусковая петля
Космический фонтан
Примечания

http://galspace.spb.ru/nature.file/lift.html Космический лифт и нанотехнологии
В космос - на лифте! // KP.RU
Орбиты космического лифта Общественно-политический и научно-популярный журнал «Российский космос» № 11, 2008
Углеродные нанотрубки на два порядка прочнее стали
MEMBRANA | Мировые новости | Нанотрубки не выдержат космический лифт
Новая графеновая бумага оказалась прочнее стали
Лемешко Андрей Викторович. Космический лифт Лемешко А.В./ Space lift Lemeshko A.V
en:Satellite television#Technology
Лифт на небо поставил рекорды с прицелом на будущее
Разработан лазер, который сможет питать космические лифты
LaserMotive to Demonstrate Laser-Powered Helicopter at the AUVSI’s Unmanned Systems North America 2010

По теоретическим расчётам представляются подходящим материалом. Если допустить пригодность их для изготовления троса, то создание космического лифта является решаемой инженерной задачей, хотя и требует использования передовых разработок и . НАСА уже финансирует соответствующие разработки американского Института научных исследований, включая разработку подъёмника, способного самостоятельно двигаться по тросу . Предположительно, такой способ в перспективе может быть на порядки дешевле использования ракет-носителей .

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ КОСМИЧЕСКИЙ ЛИФТ, НАШ БИЛЕТ В КОСМОС!

✪ Космический лифт на Луну | Большой скачок

✪ Космический лифт. Мечта и реальность. Или фантастика?

✪ В Канаде построят 20-километроый космический лифт

✪ Космический лифт (читает Александр Котов)

Субтитры

Конструкция

Для сравнения, прочность большинства видов стали - около 1 ГПа, и даже у прочнейших её видов - не более 5 ГПа, причём сталь тяжела. У гораздо более лёгкого кевлара прочность в пределах 2,6-4,1 ГПа, а у кварцевого волокна - до 20 ГПа и выше. Теоретическая прочность алмазных волокон может быть немного выше.

Технология плетения таких волокон ещё только зарождается.

По заявлениям некоторых учёных , даже углеродные нанотрубки никогда не будут достаточно прочны для изготовления троса космического лифта.

Эксперименты учёных из Технологического университета Сиднея позволили создать графеновую бумагу . Испытания образцов внушают оптимизм: плотность материала в пять-шесть раз ниже, чем у стали, при этом прочность на разрыв в десять раз выше, чем у углеродистой стали. При этом графен является хорошим проводником электрического тока, что позволяет использовать его для передачи мощности подъёмнику в качестве контактной шины.

В июне 2013 года инженеры из Колумбийского университета США сообщили о новом прорыве: благодаря новой технологии получения графена удается получать листы, с размером по диагонали в несколько десятков сантиметров и прочностью лишь на 10 % меньше теоретической.

Утолщение троса

Космический лифт должен выдерживать по крайней мере свой вес, весьма немалый из-за длины троса. Утолщение с одной стороны повышает прочность троса, с другой - прибавляет его вес, а следовательно и требуемую прочность. Нагрузка на него будет различаться в разных местах: в одних случаях участок троса должен выдерживать вес сегментов, находящихся ниже, в других - выдерживать центробежную силу , удерживающую верхние части троса на орбите. Для удовлетворения этому условию и для достижения оптимальности троса в каждой его точке, толщина его будет непостоянной.

Можно показать, что с учётом гравитации Земли и центробежной силы (но не учитывая меньшее влияние Луны и Солнца), сечение троса в зависимости от высоты будет описываться следующей формулой:

A (r) = A 0 exp ⁡ [ ρ s [ 1 2 ω 2 (r 0 2 − r 2) + g 0 r 0 (1 − r 0 r) ] ] {\displaystyle A(r)=A_{0}\ \exp \left[{\frac {\rho }{s}}\left[{\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}\omega ^{2}(r_{0}^{2}-r^{2})+g_{0}r_{0}(1-{\frac {r_{0}}{r}})\right]\right]}

Здесь A (r) {\displaystyle A(r)} - площадь сечения троса как функция расстояния r {\displaystyle r} от центра Земли.

В формуле используются следующие константы:

Это уравнение описывает трос, толщина которого сначала экспоненциально увеличивается, потом её рост замедляется на высоте нескольких земных радиусов, а потом она становится постоянной, достигнув в конце концов геостационарной орбиты. После этого толщина снова начинает уменьшаться.

Таким образом, отношение площадей сечений троса у основания и на ГСО (r = 42 164 км) есть: A (r G E O) A 0 = exp ⁡ [ ρ s × 4 , 832 × 10 7 m 2 s 2 ] {\displaystyle {\frac {A(r_{\mathrm {GEO} })}{A_{0}}}=\exp \left[{\frac {\rho }{s}}\times 4,832\times 10^{7}\,\mathrm {\frac {m^{2}}{s^{2}}} \right]}

Подставив сюда плотность и прочность для различных материалов и разного диаметра троса на уровне Земли, мы получим таблицу диаметров троса на уровне ГСО. Следует учесть, что расчет велся из условия, что лифт будет стоять «сам по себе», без нагрузки - поскольку материал троса уже испытывает растяжение от собственного веса (причем эти нагрузки близки к максимально допустимым для данного материала).

Диаметр троса на ГСО, в зависимости от его диаметра на уровне Земли,
для различных материалов (рассчитана по последней формуле), м

Материал	Плотность ρ {\displaystyle \rho } , кг÷м 3	Предел прочности s {\displaystyle s} , Па	Диаметр троса на уровне Земли
Материал	Плотность ρ {\displaystyle \rho } , кг÷м 3	Предел прочности s {\displaystyle s} , Па	1 мм	1 см	10 см	1м
Сталь Ст3 горячекатаная	7760	0.37·10 9	1.31·10 437	1.31·10 438	1.31·10 439	1.31·10 440
Сталь высоколегированная 30ХГСА	7780	1.4·10 9	4.14·10 113	4.14·10 114	4.14·10 115	4.14·10 116
Паутина	1000	2.5·10 9	0.248·10 6	2.48·10 6	24.8·10 6	248·10 6
Современное углеволокно	1900	4·10 9	9.269·10 6	92.69·10 6	926.9·10 6	9269·10 6
Углеродные нанотрубки	1900	90·10 9	2.773·10 -3	2.773·10 -2	2.773·10 -1	2.773

Таким образом, построить лифт из современных конструкционных сталей нереально. Единственный выход - искать материалы с более низкой плотностью и/или очень высокой прочностью.

Например, в таблицу включена паутина (паучий шелк). Существуют различные экзотические проекты по добыче паутины на «паучьих фермах» . В последнее время появились сообщения, что с помощью генной инженерии удалось внедрить в организм козы ген паука, кодирующий белок паутины. Теперь молоко геномодифицированной козы содержит паучий белок. Можно ли получить из этого белка материал, напоминающий паутину по своим свойствам, пока неизвестно. Но, по словам прессы, такие разработки ведутся

Ещё одно перспективное направление - углеволокно и углеродные нанотрубки . Углеволокно успешно применяется в промышленности уже сегодня. Нанотрубки обладают примерно в 20 раз большей прочностью, но технология получения этого материала пока не вышла из лабораторий . Таблица строилась из предположения, что плотность троса из нанотрубок такая же, как из углеволокна.

Ниже перечислены ещё несколько экзотических способов построения космического лифта:

Противовес

Противовес может быть создан двумя способами - путём привязки тяжёлого объекта (например, астероида , космического поселения или космического дока) за геостационарной орбитой или продолжения самого троса на значительное расстояние за геостационарную орбиту. Второй вариант интересен тем, что с конца удлинённого троса проще запускать грузы на другие планеты, поскольку он обладает значительной скоростью относительно Земли.

Угловой момент, скорость и наклон

Угловой момент приобретается за счёт вращения Земли. Сначала подъёмник движется чуть медленнее троса (эффект Кориолиса), тем самым «замедляя» трос и слегка отклоняя его к западу. При скорости подъёма 200 км/ч трос будет наклоняться на 1 градус. Горизонтальная компонента натяжения в невертикальном тросе тянет груз в сторону, ускоряя его в восточном направлении (см. диаграмму) - за счёт этого лифт приобретает дополнительную скорость. По третьему закону Ньютона трос замедляет Землю на небольшую величину, и противовес на существенно большую величину, в результате замедления вращения противовеса трос начнет наматываться на землю.

В то же время влияние центробежной силы заставляет трос вернуться в энергетически выгодное вертикальное положение [ ] , так что он будет находиться в состоянии устойчивого равновесия. Если центр тяжести лифта будет всегда выше геостационарной орбиты независимо от скорости подъёмников, он не упадёт.

К моменту достижения грузом геостационарной орбиты (ГСО) его угловой момент достаточен для вывода груза на орбиту. Если груз не высвободить с троса, то остановившись вертикально на уровне ГСО, он будет находиться в состоянии неустойчивого равновесия, а при бесконечно малом толчке вниз, сойдет с ГСО и начнет опускаться на Землю с вертикальным ускорением, при этом замедляясь в горизонтальном направлении. Потеря кинетической энергии от горизонтальной составляющей при спуске будет передаваться через трос угловому моменту вращения Земли, ускоряя её вращение. При толчке вверх груз также сойдет с ГСО, но в противоположном направлении, то есть начнет подниматься по тросу с ускорением от Земли, достигнув конечной скорости на конце троса. Поскольку конечная скорость зависит от длины троса, её величина таким образом может быть задана произвольно. Следует отметить, что ускорение и прирост кинетической энергии груза при подъёме, то есть его раскручивание по спирали, будут происходить за счет вращения Земли, которое при этом замедлится. Данный процесс полностью обратим, то есть если на конец троса надеть груз и начать его опускать, сжимая по спирали, то угловой момент вращения Земли соответственно увеличится.

При спуске груза будет происходить обратный процесс, наклоняя трос на восток.

Запуск в космос

На конце троса высотой в 144 000 км тангенциальная составляющая скорости составит 10,93 км/с, что более чем достаточно, чтобы покинуть гравитационное поле Земли и запустить корабли к Сатурну . Если объекту позволить свободно скользить по верхней части троса, его скорости хватит, чтобы покинуть Солнечную систему . Это произойдёт за счёт перехода суммарного углового момента троса (и Земли) в скорость запущенного объекта.

Для достижения ещё больших скоростей можно удлинить трос или ускорить груз за счёт электромагнетизма.

На других планетах

Космический лифт можно строить и на других планетах. Причём чем меньше сила тяжести на планете и чем быстрее она вращается, тем легче осуществить строительство.

Можно также протянуть космический лифт между двумя небесными телами, которые вращаются друг вокруг друга и постоянно повёрнуты друг к другу одной стороной (например, между Плутоном и Хароном или между компонентами двойного астероида (90) Антиопа . Однако поскольку их орбиты не являются точным кругом, потребуется устройство для постоянного изменения длины такого лифта. Лифт в этом случае можно использовать не только для вывода грузов в космос, но и для «межпланетных поездок».

Строительство

Строительство ведётся с геостационарной станции. Один конец опускается к поверхности Земли, натягиваясь силой притяжения. Другой, для уравновешивания, - в противоположную сторону, натягиваясь центробежной силой. Это означает, что все материалы для строительства должны быть доставлены на геостационарную орбиту традиционным способом. То есть стоимость доставки всего космического лифта на геостационарную орбиту - минимальная цена проекта.

Экономия от использования космического лифта

Пока ещё нет ответа на вопрос, вернёт ли космический лифт вложенные в него деньги или лучше будет вложить их в дальнейшее развитие ракетной техники.

Однако лифт может быть гибридным проектом и помимо функции доставки груза на орбиту оставаться базой для других научно-исследовательских и коммерческих программ, не связанных с транспортом.

Достижения

В конкурсе подъёмников робот должен преодолеть установленное расстояние, поднимаясь по вертикальному тросу со скоростью не ниже установленной правилами (в соревнованиях 2007 года нормативы были следующими: длина троса - 100 м, минимальная скорость - 2 м/с скорость которой нужно добиться 10 м/с). Лучший результат 2007 года - преодолённое расстояние в 100 м со средней скоростью 1,8 м/с.

Общий призовой фонд соревнований Space Elevator Games в 2009 году составлял 4 миллиона долларов.

В конкурсе на прочность троса участникам необходимо предоставить двухметровое кольцо из сверхпрочного материала массой не более 2 граммов, которое специальная установка проверяет на разрыв. Для победы в конкурсе прочность троса должна минимум на 50 % превосходить по этому показателю образец, уже имеющийся в распоряжении у NASA. Пока лучший результат принадлежит тросу, выдержавшему нагрузку вплоть до 0,72 тонны.

В этих соревнованиях не принимает участие компания Liftport Group, получившая известность благодаря своим заявлениям запустить космический лифт в 2018 году (позднее этот срок был перенесён на 2031 год). Liftport проводит собственные эксперименты, так в 2006 году роботизированный подъёмник взбирался по прочному канату , натянутому с помощью воздушных шаров. Из полутора километров подъёмнику удалось пройти путь лишь в 460 метров. В августе-сентябре 2012 г компания запустила проект по сбору средств на новые эксперименты с подъёмником на сайте Kickstarter . В зависимости от собранной суммы планируется подъём робота на 2 или более километров .

В LiftPort Group также заявляли о готовности построить экспериментальный космический лифт на Луне, на базе уже существующих технологий. Президент компании Майкл Лэйн утверждает, что на создание такого лифта может уйти восемь лет. Внимание к проекту заставило компанию поставить новую цель - подготовку проекта и сбор дополнительных средств на начало технико-экономического обоснования так называемого «лунного лифта». По словам Лэйна, сооружение такого лифта займет один год и обойдется в 3 миллиона долларов. На проект LiftGroup уже обратили внимание специалисты NASA. Майкл Лэйн сотрудничал с космическим ведомством США, работая над проектом космического лифта.

Схожие проекты

Космический лифт является не единственным из проектов, который использует тросы для вывода спутников на орбиту. Одним из таких проектов является Orbital Skyhook (орбитальный крюк). Skyhook использует не очень длинный, в сравнении с космическим лифтом, трос, который находится на околоземной орбите, и быстро вращается вокруг своей средней части. За счет этого один конец троса движется относительно Земли со сравнительно невысокой скоростью, и на него можно подвешивать грузы с гиперзвуковых самолётов. При этом конструкция Skyhook работает как гигантский маховик - накопитель вращательного момента и кинетической энергии. Достоинством проекта Skyhook является её реализуемость уже при существующих технологиях. Недостатком является то, что на запуск спутников Skyhook расходует энергию своего движения, и эту энергию будет необходимо как-то восполнять.

Проект Stratosphere Network of Skyscrapers (Стратосферная сеть небоскрёбов). Проект представляет собой сеть орбитальных лифтов, объединённых в шестигранники, покрывающую всю планету. При переходе на следующие этапы строительства, опоры убираются, а каркас сети лифтов используется для постройки на нём стратосферного поселения. Проект предусматривает несколько сфер обитания.

Космический лифт в различных произведениях

В книге Роберта Хайнлайна «Фрайди» используется космический лифт, названный «бобовый стебель »
В фильме СССР 1972 года «Петька в космосе» главный герой изобретает космический лифт.
Одно из знаменитых произведений Артура Кларка , «Фонтаны рая », основано на идее космического лифта. Кроме того, космический лифт фигурирует и в заключительной части его знаменитой тетралогии Космическая Одиссея (3001: Последняя одиссея).
В сериале «Звёздный путь: Вояджер » в эпизоде 3.19 «Подъём» космический лифт помогает экипажу вырваться с планеты с опасной атмосферой.
В игре Civilization IV есть космический лифт. Там он - одно из поздних «Больших чудес».
В фантастическом романе Тимоти Зана «Шелкопряд» («Spinneret», 1985) упоминается планета способная производить суперволокно. Одна из рас заинтересовавшаяся планетой хотела получить это волокно именно для строительства космического лифта.
В фантастическом романе Франка Шетцинга «Limit» космический лифт действует как основное звено политической интриги в ближайшем будущем.
В дилогии Сергея Лукьяненко «Звёзды - холодные игрушки » одна из внеземных цивилизаций в процессе межзвёздной торговли поставила на Землю сверхпрочные нити, которые могли бы быть использованы для строительства космического лифта. Но внеземные цивилизации настаивали исключительно на использовании их по прямому назначению - для помощи при проведении родов.
В фантастическом романе Дж. Скальци «Обреченные на победу» (англ. Scalzi, John. Old Man’s War ) системы космических лифтов активно используются на Земле, многочисленных земных колониях и некоторых планетах других высокоразвитых разумных рас для сообщения с причалами межзвёздных кораблей.
В фантастическом романе Александра Громова «Завтра наступит вечность» сюжет построен вокруг факта существования космического лифта. Существует два устройства - источник и приемник, которые посредством «энергетического луча» способны поднимать «кабину» лифта на орбиту.
В фантастическом романе Аластера Рейнольдса «Город Бездны» дается подробное описание строения и функционирования космического лифта, описан процесс его разрушения (в результате теракта).
В фантастическом романе Терри Пратчетта «Страта» присутствует «Линия» - сверхдлинная искусственная молекула, используемая в качестве космического лифта.
В фантастическом романе Грема Макнилла «Механикум» космические лифты присутствуют на Марсе и названы Башнями Циолковского
Упоминается в песне группы Звуки Му «Лифт на небо».
В самом начале игры Sonic Colors, можно видеть, как Соник и Теилз поднимаются на космическом лифте, чтобы попасть в Парк Доктора Эггмана.
В книге Александра Зорича «Сомнамбула 2» из серии Этногенез , главный герой Матвей Гумилев (после подсадки суррогатной личности - Максим Верховцев, личный пилот товарища Альфы, главы «Звездных борцов») путешествует на орбитальном лифте.
В повести «Змееныш» писателя-фантаста Александра Громова герои пользуются космическим лифтом «по дороге» с Луны на землю.
В цикле фантастических романов Джорджа Мартина «Путешествия Тафа» на планете С’атлем орбитальный лифт ведет к планетоиду, обустроенному как космопорт.
В компьютерной игре

IV Межрегиональная конференция школьников

«Дорога к звездам»

Космический лифт – фантастика или реальность?

Выполнил:

____________________

Руководитель:

___________________

Ярославль

Введение

Идеи космического лифта К.Э. Циолковского, Ю.Н. Арцутанова, Г.Г. Полякова

Конструкция космического лифта

Описание современных проектов

Заключение

Введение

В 1978 году выходит в свет научно – фантастический роман Артура Кларка «Фонтаны рая» (The Fountains of Paradise), посвященный идее строительства космического лифта. Действия происходят в XXII веке на несуществующем острове Тапробан, который, как указывает автор в предисловии, на 90% соответствует острову Цейлон (Шри-Ланка).

Нередко фантасты предсказывают появление изобретения не своего века, а намного более позднего времени.

Что же такое космический лифт?

Космический лифт - концепция инженерного сооружения для безракетного запуска грузов в космос. Данная гипотетическая конструкция основана на применении троса, протянутого от поверхности планеты к орбитальной станции, находящейся на ГСО. Впервые подобную мысль высказал Константин Циолковский в 1895 году, детальную разработку идея получила в трудах Юрия Арцутанова.

Целью данной работы является изучение возможности построения космического лифта.

Идеи космического лифта К.Э. Циолковского, Ю.Н. Арцутанова и Г.Г. Полякова

Константин Циолковский - русский и советский ученый-самоучка, и изобретатель, школьный учитель. Основоположник теоретической космонавтики. Обосновал использование ракет для полётов в космос, пришёл к выводу о необходимости использования «ракетных поездов» - прототипов многоступенчатых ракет. Основные научные труды относятся к аэронавтике, ракетодинамике и космонавтике.

Представитель русского космизма, член Русского общества любителей мироведения. Автор научно-фантастических произведений, сторонник и пропагандист идей освоения космического пространства. Циолковский предлагал заселить космическое пространство с использованием орбитальных станций. Считал, что развитие жизни на одной из планет Вселенной достигнет такого могущества и совершенства, что это позволит преодолевать силы тяготения и распространять жизнь по Вселенной.

В 1895 году русский ученый Константин Эдуардович Циолковский первым сформулировал понятие и концепцию космического лифта. Он описал отдельно стоящее сооружение, уходящее от уровня земли до геостационарной орбиты. Возвышаясь на 36 тысяч километров над экватором и следуя в направлении вращения Земли, в конечной точке с орбитальным периодом ровно в один день эта конструкция сохранялась бы в фиксированном положении.

Ю
рий Николаевич Арцутанов - русский инженер, родившийся в Ленинграде. Выпускник Ленинградского

технологического института, известен как один из пионеров идеи космического лифта. В 1960 году он написал статью «В Космос - на электровозе», где он обсудил концепцию космического лифта как экономически выгодный, безопасный и удобный способ доступа к орбите для облегчения освоения космоса.

Юрий Николаевич развил идею Константина Циолковского. Концепция Арцутанова была основана на связывании геосинхронных спутников кабелем с Землей. Он предложил использовать спутник в качестве базы, с которой можно построить башню, так как геосинхронный спутник останется над неподвижной точкой на экваторе. С помощью противовеса кабель будет спущен с геосинхронной орбиты на поверхность Земли, в то время как противовес будет отдаляться от Земли, удерживая центр масс кабеля неподвижно относительно Земли.

Арцутанов предложил закрепить один конец такой «веревки» на земном экваторе, а ко второму концу, находящемуся далеко за пределами планетной атмосферы, - подвесить уравновешивающий груз. При достаточной длине «веревки» центробежная сила превысила бы силу притяжения и не позволила грузу упасть на Землю. Из приведенных Арцутановым расчетов, следует, что сила притяжения и центробежная сила оказываются равны на высоте около 42 000 километров. Равная нулю равнодействующая этих сил надежно закрепляет «камень» в зените.

Теперь герметичные электровозы побегут вертикально вверх – к орбите. Плавное наращивание скорости и плавное же торможение помогут избежать перегрузок, характерных для отрыва ракеты. После нескольких часов путешествия со скоростью 10 – 20 километров в секунду, последует первая остановка – в точке равноденствия сил, где раскинувшаяся в невесомости перевалочная станция откроет гостям двери баров, ресторанчиков, комнат отдыха – и замечательный вид на Землю из иллюминаторов.

После остановки кабина не только сможет двигаться без затрат энергии, так как её будет отбрасывать от Земли центробежная сила, - но и, вдобавок, генерировать двигателем, переключенным в режим динамо-машины, необходимое для возвращения электричество.

Вторую – и конечную остановку предлагалось сделать на расстоянии 60 000 километров от Земли, где равнодействующая сил сравняется с силой тяжести на земной поверхности, и позволит создать на «конечной станции» искусственную гравитацию. Здесь же, на краю длиннейшей канатной дороги будет располагаться настоящий орбитальный космодром. Он, как и полагается, станет запускать по Солнечной системе космические корабли, придавая им солидную скорость и назначая траекторию.

Не желая ограничиваться примитивным канатом, Юрий Арцутанов навешал на него гелиоэлектростанций, перерабатывающих солнечную энергию в электрический ток, и соленоидов, генерирующих электромагнитное поле. В этом поле должен двигаться «электровоз».

Если оценить вес такого магнитодорожного полотна, учитывая протяженность в 60 000 километров, то получается - сотни миллионов тонн? Гораздо больше. Не одна тысяча ракет потребуется, чтобы отбуксировать эту тяжесть к орбите! В то время это казалось невозможным.

Однако ученый и на этот раз подкинул верную идею: лифт не обязательно строить снизу вверх, как огромную циклопическую башню – достаточно запустить на геостационарную орбиту искусственный спутник, с которого будет спущена первая нить. В сечении эта нить окажется тоньше человеческого волоса, так чтобы вес ее не превосходил тысячу тонн. После того, как свободный конец нити закрепят на земной поверхности, сверху вниз по нити побежит «паук» – легкое устройство, плетущее вторую, параллельную нить. Он будет работать до тех пор, пока канат не станет достаточно толстым, чтобы выдержать «электровоз», электромагнитное полотно, гелиоэлектростанции, комнаты отдыха и рестораны.

Вполне объяснимо, почему в эпоху космических гонок идея Юрия Валерьевича Арцутанова осталась никем не замеченной. Тогда не было ни одного материала способного выдержать столь высокое давление разрыва троса.

В развитие идей Арцутанова свой проект космического лифта в 1977 году предложил Георгий Поляков из Астраханского педагогического института.

Принципиально этот лифт почти ничем не отличается от вышеописанного. Поляков лишь указывает: реальный космический лифт будет устроен куда сложнее, чем описанный Арцутановым. Фактически он будет состоять из ряда простых лифтов с последовательно уменьшающимися длинами. Каждый представляет собой самоуравновешенную систему, но лишь благодаря одному из них, что достигает Земли, обеспечивается устойчивость всей конструкции.

Длина лифта (примерно 4 диаметра Земли) выбрана с таким расчетом, чтобы аппарат, отделившийся от его верхушки, сумел бы уйти по инерции в открытый космос. В верхней точке будет смонтирован стартовый пункт для межпланетных кораблей. А возвращающиеся из полета корабли, предварительно выйдя на стационарную орбиту, «прилифтуются» в районе базы.

С конструкторской точки зрения космический лифт представляет собой две параллельные трубы или шахты прямоугольного сечения, толщина стенок которых изменяется по определенному закону. По одной из них кабины движутся вверх, а по другой - вниз. Конечно, ничто не мешает соорудить несколько таких пар. Труба может быть не сплошной, а состоящей из множества параллельных тросов, положение которых фиксируется серией поперечных прямоугольных рамок. Это облегчает монтаж и ремонт лифта.

Кабины лифта - просто площадки, приводимые в движение индивидуальными электродвигателями. На них крепятся грузы или жилые модули - ведь путешествие в лифте может продолжаться неделю, а то и больше.

В целях экономии энергии можно создать систему, напоминающую канатную дорогу. Она состоит из ряда шкивов, через которые перекинуты замкнутые тросы с подвешенными на них кабинами. Оси шкивов, где смонтированы электродвигатели, закреплены на несущей лифта. Здесь вес поднимающихся и опускающихся кабин взаимно уравновешен, и, следовательно, энергия расходуется лишь на преодоление трения.

Для соединительных «нитей», из которых собственно и образуется лифт, необходимо использовать материал, у которого отношение разрывного напряжения к плотности в 50 раз больше, чем у стали. Это могут быть разнообразные «композиты», пеностали, бериллиевые сплавы или кристаллические усы...

Впрочем, Георгий Поляков не останавливается на уточнении характеристик космического лифта. Он указывает на то обстоятельство, что уже до конца XX века геосинхронная орбита будет густо «усеяна» космическими аппаратами самых различных типов и назначений. А поскольку все они будут практически неподвижны относительно нашей планеты, представляется весьма заманчивым связать их с Землей и между собой с помощью космических лифтов и кольцевой транспортной магистрали.

На основании этого соображения Поляков выдвигает идею космического «ожерелья» Земли. Ожерелье послужит своеобразной канатной (или рельсовой) дорогой между орбитальными станциями, а также обеспечит им устойчивое равновесие на геосинхронной орбите.

Так как длина «ожерелья» весьма велика (260 000 километров), на нем можно разместить очень много станций. Если, скажем, поселения отстоят друг от друга на 100 километров, то их число составит 2600. При населении каждой станции в 10 тысяч на кольце будут обитать 26 миллионов человек. Если же размеры и количество таких «астрогородов» увеличить, эта цифра резко возрастет.

Конструкция космического лифта

Основание

Основание космического лифта - это место на поверхности планеты, где прикреплён трос и начинается подъём груза. Оно может быть подвижным, размещённым на океанском судне. Преимущество подвижного основания - возможность совершения маневров для уклонения от ураганов и бурь. Преимущества стационарной базы - более дешёвые и доступные источники энергии, и возможность уменьшить длину троса. Разница в несколько километров троса сравнительно невелика, но может помочь уменьшить требуемую толщину его средней части и длину части, выходящей за геостационарную орбиту. Дополнительно к основанию может быть размещена площадка на стратостатах, для уменьшения веса нижней части троса с возможностью изменения высоты для избегания наиболее бурных потоков воздуха, а также гашения излишних колебаний по всей длине троса.

Трос

Трос должен быть изготовлен из материала с чрезвычайно высоким отношением предела прочности к удельной плотности. Космический лифт будет экономически оправдан, если можно будет производить в промышленных масштабах за разумную цену трос плотности, сравнимой с графитом, и прочностью около 65-120 гигапаскалей. Для сравнения, прочность большинства видов стали - около 1 ГПа, и даже у прочнейших её видов - не более 5 ГПа, причём сталь тяжела. У гораздо более лёгкого кевлара прочность в пределах 2,6-4,1 ГПа, а у кварцевого волокна - до 20 ГПа и выше. Углеродные нанотрубки должны, согласно теории, иметь растяжимость гораздо выше, чем требуется для космического лифта. Однако технология их получения в промышленных количествах и сплетения их в кабель только начинает разрабатываться. Теоретически их прочность должна быть более 120 ГПа, но на практике самая высокая растяжимость однослойной нанотрубки была 52 ГПа, а в среднем они ломались в диапазоне 30-50 ГПа. Самая прочная нить, сплетённая из нанотрубок, будет менее прочной, чем её компоненты.

В эксперименте учёных из Университета Южной Калифорнии (США) однослойные углеродные нанотрубки продемонстрировали удельную прочность, в 117 раз превышающую показатели стали и в 30 - кевлар. Удалось выйти на показатель в 98,9 ГПа, максимальное значение длины нанотрубки составило 195 мкм. По заявлениям некоторых учёных, даже углеродные нанотрубки никогда не будут достаточно прочны для изготовления троса космического лифта.

Эксперименты учёных из Технологического университета Сиднея позволили создать графеновую бумагу. Испытания образцов внушают оптимизм: плотность материала в пять-шесть раз ниже, чем у стали, при этом прочность на разрыв в десять раз выше, чем у углеродистой стали. При этом графен является хорошим проводником электрического тока, что позволяет использовать его для передачи мощности подъёмнику в качестве контактной шины.

Утолщение троса

Космический лифт должен выдерживать, по крайней мере, свой вес, весьма немалый из-за длины троса. Утолщение с одной стороны повышает прочность троса, с другой - прибавляет его вес, а, следовательно, и требуемую прочность. Нагрузка на него будет различаться в разных местах: в одних случаях участок троса должен выдерживать вес сегментов, находящихся ниже, в других - выдерживать центробежную силу, удерживающую верхние части троса на орбите. Для удовлетворения этому условию и для достижения оптимальности троса в каждой его точке, толщина его будет непостоянной.

Можно показать, что с учётом гравитации Земли и центробежной силы, НО, не учитывая меньшее влияние Луны и Солнца, сечение троса в зависимости от высоты будет описываться следующей формулой:

Где - площадь сечения троса как функция расстояния r от центра Земли.

В формуле используются следующие константы:

- площадь сечения троса на уровне поверхности Земли.

- плотность материала троса.

- предел прочности материала троса.

- круговая частота вращения Земли вокруг своей оси, 7,292·10−5 радиан в секунду.

- расстояние между центром Земли и основанием троса. Оно приблизительно равно радиусу Земли, 6 378 км.

- ускорение свободного падения у основания троса, 9,780 м/с².

Это уравнение описывает трос, толщина которого сначала экспоненциально увеличивается, потом её рост замедляется на высоте нескольких земных радиусов, а потом она становится постоянной, достигнув, в конце концов, геостационарной орбиты. После этого толщина снова начинает уменьшаться.

Таким образом, отношение площадей сечений троса у основания и на ГСО (r = 42 164 км) есть:

П
одставив сюда плотность и прочность стали, и диаметр троса на уровне Земли в 1 см, мы получим диаметр на уровне ГСО в несколько сот километров, что означает, что сталь и прочие привычные нам материалы непригодны для строительства лифта.

Отсюда следует, что есть четыре способа добиться более разумной толщины троса на уровне ГСО:

Использовать менее плотный материал. Поскольку плотность большинства твёрдых тел лежит в относительно небольшом диапазоне от 1000 до 5000 кг/м³, здесь вряд ли получится чего-то добиться.

Использовать более прочный материал. В этом направлении в основном и идут исследования. Углеродные нанотрубки в десятки раз прочнее лучшей стали, и они позволят значительно уменьшить толщину троса на уровне ГСО. Тот же расчет, выполненный из предположения, что плотность троса равна плотности углеволокна ρ = 1,9 г/см3 (1900 кг/м3), с предельной прочностью σ = 90 ГПА (90·109 Па) и диаметром троса у основания 1 см (0.01 м), позволяет получить диаметр троса на ГСО всего 9 см.

Поднять повыше основание троса. Из-за наличия экспоненты в уравнении даже небольшое поднятие основания позволит сильно понизить толщину троса. Предлагаются башни высотой до 100 км, которые, кроме экономии на тросе, позволят избежать влияния атмосферных процессов.

Сделать основание троса как можно тоньше. Он все равно должен быть достаточно толстым, чтобы выдержать подъёмник с грузом, так что минимальная толщина у основания также зависит от прочности материала. Тросу из углеродных нанотрубок достаточно иметь у основания толщину всего в один миллиметр.

Ещё способ - сделать основание лифта подвижным. Движение даже со скоростью 100 м/с уже даст выигрыш в круговой скорости на 20 % и сократит длину кабеля на 20-25 %, что облегчит его на 50 и более процентов. Если же «заякорить» кабель на сверхзвуковом самолёте, или поезде, то выигрыш в массе кабеля уже будет измеряться не процентами, а десятками раз (но не учтены потери на сопротивление воздуха). Также есть идея вместо троса из нанотрубок использовать условные силовые линии магнитного поля Земли.

Противовес

Противовес может быть создан двумя способами - путём привязки тяжёлого объекта (например, астероида, космического поселения или космического дока) за геостационарной орбитой или продолжения самого троса на значительное расстояние за геостационарную орбиту. Второй вариант интересен тем, что с конца удлинённого троса проще запускать грузы на другие планеты, поскольку он обладает значительной скоростью относительно Земли.

Угловой момент, скорость и наклон

Горизонтальная скорость каждого участка троса растёт с высотой пропорционально расстоянию до центра Земли, достигая на геостационарной орбите первой космической скорости. Поэтому при подъёме груза ему нужно получить дополнительный угловой момент (горизонтальную скорость). Угловой момент приобретается за счёт вращения Земли. Сначала подъёмник движется чуть медленнее троса (эффект Кориолиса), тем самым «замедляя» трос и слегка отклоняя его к западу. При скорости подъёма 200 км/ч трос будет наклоняться на 1 градус. Горизонтальная компонента натяжения в невертикальном тросе тянет груз в сторону, ускоряя его в восточном направлении - за счёт этого лифт приобретает дополнительную скорость. По третьему закону Ньютона трос замедляет Землю на небольшую величину, и противовес на большую величину, в результате замедления вращения противовеса трос начнет наматываться на землю. В то же время влияние центробежной силы заставляет трос вернуться в энергетически выгодное вертикальное положение, так что он будет находиться в состоянии устойчивого равновесия. Если центр тяжести лифта будет всегда выше геостационарной орбиты независимо от скорости подъёмников, он не упадёт. К моменту достижения грузом геостационарной орбиты (ГСО) его угловой момент достаточен для вывода груза на орбиту. Если груз не высвободить с троса, то остановившись вертикально на уровне ГСО, он будет находиться в состоянии неустойчивого равновесия, а при бесконечно малом толчке вниз, сойдет с ГСО и начнет опускаться на Землю с вертикальным ускорением, при этом замедляясь в горизонтальном направлении. Потеря кинетической энергии от горизонтальной составляющей при спуске будет передаваться через трос, угловому моменту вращения Земли, ускоряя её вращение. При толчке вверх груз также сойдет с ГСО, но в противоположном направлении, то есть начнет подниматься по тросу с ускорением от Земли, достигнув конечной скорости на конце троса. Поскольку конечная скорость зависит от длины троса, её величина, таким образом, может быть задана произвольно. Следует отметить, что ускорение и прирост кинетической энергии груза при подъеме, то есть его раскручивание по спирали, будут происходить за счет вращения Земли, которое при этом замедлится. Данный процесс полностью обратим, то есть если на конец троса надеть груз и начать его опускать, сжимая по спирали, то угловой момент вращения Земли соответственно увеличится. При спуске груза будет происходить обратный процесс, наклоняя трос на восток.

Запуск в космос

На конце троса высотой в 144 000 км тангенциальная составляющая скорости составит 10,93 км/с, что более чем достаточно, чтобы покинуть гравитационное поле Земли и запустить корабли к Сатурну. Если объекту позволить свободно скользить по верхней части троса, его скорости хватит, чтобы покинуть Солнечную систему. Это произойдёт за счёт перехода суммарного углового момента троса (и Земли) в скорость запущенного объекта. Для достижения ещё больших скоростей можно удлинить трос или ускорить груз за счёт электромагнетизма.

Описание современных проектов

В середине и в конце 20-го века появились более подробные предложения. Возлагались надежды, что космический лифт сделает революцию в доступе к околоземному космическому пространству, к Луне, Марсу и даже далее. Данное сооружение смогло бы раз и навсегда решить проблему, связанную с отправкой человека в космос. Лифт очень помог бы многим космическим агентствам в доставке астронавтов на орбиту нашей планеты. Его создание может означать конец загрязняющим пространство ракетам. Однако стартовые инвестиции и уровень необходимых технологий ясно давали понять, что такой проект нецелесообразен и отводили ему место в области научной фантастики.

Возможно ли решить проблему такого строительства в данный момент? Сторонники космических лифтов считают, что в настоящее время достаточно возможностей для решения данной технической задачи. Они считают, что космические ракеты устарели и наносят непоправимый вред природе и слишком дороги для современного общества.

Камень преткновения лежит в том, как построить такую систему. «Для начала она должна быть создана из пока не существующего, но прочного и гибкого материала с нужной массой и характеристиками плотности, чтобы поддерживать транспорт и выдержать невероятное воздействие внешних сил, - говорит Фонг. - Думаю, все это потребует серии самых амбициозных орбитальных миссий и космических прогулок на низкой и высокой околоземной орбитах в истории нашего вида».

Есть также проблемы безопасности, добавляет он. «Даже если бы мы могли решить существенные технические трудности, связанные со строительством такой штуки, вырисовывается страшная картина гигантского сыра с дырками, пробитыми всем этим космическим мусором и обломками наверху».

Учёные всего мира разрабатывают идею космического лифта. Японцы в начале 2012 года объявили о том, что они планируют построить космический лифт. Американцы об этом же сообщили в конце 2012-го. В 2013-м СМИ вспомнили о русских корнях "космического лифта". Так, когда же данные идеи станут реальностью?

Концепция Японской корпорации Obayashi

Корпорация предлагает следующий способ постройки: один конец троса очень высокой прочности удерживается массивной платформой в океане, а второй - закрепляется на орбитальной станции. По канату перемещается специально спроектированная кабинка, которая может доставлять грузы, астронавтов или, скажем, космических туристов.

В качестве материала для троса Obayashi рассматривает углеродные нанотрубки, которые в десятки раз прочнее стали. Но проблема заключается в том, что в настоящее время длина таких нанотрубок ограничивается примерно 3 см, в то время как для космического лифта потребуется трос общей протяжённостью в 96 000 км. Ожидается, что преодолеть существующие трудности станет возможно ориентировочно в 2030-х годах, после чего начнётся практическая реализация концепции космического лифта.

Obayashi уже рассматривает возможность создания особых туристических кабинок, рассчитанных на перевозку до 30 пассажиров. Кстати, путь на орбиту по тросу из углеродных нанотрубок будет занимать семь дней, поэтому придётся предусмотреть необходимые системы обеспечения жизнедеятельности, запас еды и воды.

Запустить космический лифт Obayashi рассчитывает только к 2050 году.

Космический лифт компании LiftPort Group

Не только Земля станет объектом, где будет сооружен такой лифт. По мнению группы экспертов из компании LiftPort Group в качестве такого объекта вполне может выступить и Луна.

Основой лунного космического лифта является плоский ленточный кабель, изготовленный из высокопрочного материала. По этому кабелю на поверхность Луны и назад будут ходить транспортные гондолы, доставляющие людей, различные материалы, механизмы и роботов.

«Космический» конец кабеля будет удерживаться космической станцией PicoGravity Laboratory (PGL), находящейся в точке Лагранжа L1 системы Луна-Земля, в точке, где гравитация Луны и Земли взаимно уравновешивают друг друга. На Луне конец кабеля будет присоединен к якорной станции Anchor Station, находящейся в районе Sinus Medi (приблизительно в середине «лица» Луны, смотрящего на Землю) и входящей в состав инфраструктуры космического лифта Lunar Space Elevator Infrastructure.

Натяжение кабеля космического лифта будет осуществляться противовесом, который будет удерживаться более тонким кабелем длиной в 250 тысяч километров, и который будет находиться уже во власти земной гравитации. Космическая станция PicoGravity Laboratory будет иметь модульную структуру, наподобие структуры существующей Международной космической станции, что позволит без особого труда производить ее расширение и добавлять стыковочные узлы, позволяющие стыковаться со станцией космическим кораблям различных типов.

Основной целью данного проекта является отнюдь не строительство самого космического лифта. Этот лифт станет лишь средством доставки на Луну автоматических аппаратов, которые в автономном режиме будут вести добычу различных полезных ископаемых, в том числе редкоземельных металлов и гелия-3, который является перспективным топливом для будущих реакторов термоядерного синтеза и, возможно, топливом для космических кораблей будущего.

«К сожалению, данный проект пока практически невыполним в связи с отсутствием у людей множества ключевых технологий. Но исследования большинства таких технологий уже ведутся некоторое время, и обязательно наступит тот момент, когда строительство космического лифта перейдет из разряда научной фантастики в область практически выполнимых вещей».

Специалисты компании LiftPort Group обещают сделать рабочий детализированный проект сооружения к концу 2019 года.

«Общепланетное транспортное средство»

Рассмотрим проект, получивший название «Общепланетное транспортное средство» (ОТС). Его выдвинул и обосновал инженер Анатолий Юницкий из Гомеля.

В 1982 году в журнале «Техника молодежи» была опубликована статья, в которой автор утверждает, что у человечества в скором времени появится потребность в принципиально новом транспортном средстве, способном обеспечивать перевозки на трассе «Земля – космос – Земля».

По мнению А. Юницкого ОТС представляет собой замкнутое колесо поперечным диаметром порядка 10 метров, которое покоится на специальной эстакаде, установленной вдоль экватора. Высота эстакады в зависимости от рельефа колеблется в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен метров. Эстакада размещена на плавучих опорах в океанских просторах.

В герметичном канале, расположенном по оси корпуса ОТС, находится бесконечная лента, имеющая магнитную подвеску и являющаяся своеобразным ротором двигателя. В нее наводится ток, который будет взаимодействовать с породившим его магнитным полем, и лента, не испытывающая никакого сопротивления (она размещена в вакууме), придет в движение. Точнее, во вращение вокруг Земли. При достижении первой космической скорости лента станет невесомой. При дальнейшем разгоне ее центробежная сила через магнитную подвеску станет оказывать на корпус ОТС всевозрастающую вертикальную подъемную силу, пока не уравновесит каждый его погонный метр (транспортное средство как бы станет невесомым - чем не антигравитационный корабль?).

В удерживаемое на эстакаде транспортное средство с предварительно раскрученной до скорости 16 км/с верхней лентой, имеющей массу 9 тонн на метр, и точно такой же, но лежащей неподвижно нижней лентой размещают груз и пассажиров. Это делается в основном внутри, а частично и снаружи корпуса ОТС, но так, чтобы нагрузка в целом была равномерно распределена. После освобождения от захватов, удерживающих ОТС на эстакаде, его диаметр под действием подъемной силы начнет медленно расти, а каждый его погонный метр - подниматься над Землей. Поскольку форма окружности отвечает минимуму энергии, то транспортное средство, до этого копировавшее профиль эстакады, примет после подъема форму идеального кольца.

Скорость подъема ОТС на любом из участков пути может быть задана в широких пределах: от скорости пешехода до скорости самолета. Атмосферный участок транспортное средство проходит на минимальных скоростях.

По оценке Анатолия Юницкого, общая масса ОТС составит 1,6 миллиона тонн, грузоподъемность - 200 миллионов тонн, пассажировместимость - 200 миллионов человек. Расчетное число выходов ОТС в космос за пятидесятилетний срок службы - 10 тысяч рейсов.

Заключение

Существует множество проектов космического лифта, и все они мало отличаются от того, что предлагал Арцупанов, но теперь учёные исходят из того, что материалы из нанотрубок станут доступны.

Космический лифт изменит космическую индустрию: люди и груз будут доставляться на орбиту со значительно более низкими затратами по сравнению с традиционными запусками ракет-носителей.

Будем надеяться, что во второй половине 21 – го века космические лифты станут функционировать за пределами Земли: на Луне, Марсе и других уголках Солнечной Системы. С развитием технологий стоимость строительства будет постепенно снижаться.

Несмотря на то, что это время кажется далеким и недосягаемым, именно от нас зависит, каким будет будущее и как быстро оно наступит.

Поскольку человечество хоть и медленно, но всё же осваивается в космосе, возник вопрос о доставке на орбиту необходимых вещей. Ракеты не подходят - они слишком дороги при эксплуатации и вредят экологии. Ещё одна возможность - построить космический лифт, который будет связывать космос с Землёй.

Высота такой конструкции составит 35 400 км. Предполагается, что это будет сверхпрочный трос, одним концом закреплённый на поверхности планеты, а другим - в неподвижной точке выше геостационарной орбиты. По тросу поднимается подъёмник, несущий полезный груз. При подъёме груз будет ускоряться за счёт вращения планеты, что позволит на достаточно большой высоте отправлять его за пределы тяготения Земли.

Звучит вроде бы логично. Правда, здесь есть несколько сложностей , делающих и этот способ крайней непрактичным:

1. Нет достаточно прочного материала для троса

Нагрузка на трос может превышать 100 000 кг/м., так что материал для его изготовления должен обладать чрезвычайно высокой прочностью для устойчивости к растяжениям, и при этом очень низкой плотностью. Пока такого материала нет - не подходят даже углеродные нанотрубки, считающиеся сейчас самыми прочными и упругими материалами на планете.

К сожалению, технология их получения только начинает разрабатываться. Пока что удаётся получить крошечные кусочки материала: самая длинная нанотрубка, которую удалось создать - пара сантиметров в длину и несколько нанометров в ширину. Удастся ли когда-нибудь сделать из этого достаточно длинный трос, пока неизвестно.

2. Восприимчивость к опасным вибрациям

Трос будет восприимчив к непредсказуемым порывам солнечного ветра - под его воздействием он будет изгибаться, и это отрицательно скажется на стабильности лифта. В качестве стабилизаторов к тросу можно прикрепить микродвигатели, но эта мера создаст дополнительные трудности в плане технического обслуживания сооружения. Кроме того, это затруднит продвижение по тросу специальных кабинок, так называемых «альпинистов». Трос, скорее всего, вступит с ними в резонанс.

3. Сила Кориолиса

Трос и «альпинисты» неподвижны относительно поверхности Земли. А вот по отношению к центру Земли объект будет двигаться со скоростью 1 700 км/ч на поверхности и 10 000 км/ч на орбите. Соответственно, «альпинистам» при запуске надо придать эту скорость. «Альпинист» разгоняется в перпендикулярном тросу направлении, и из-за этого трос будет раскачиваться подобно маятнику. Одновременно с этим возникает сила, пытающаяся оторвать наш трос от Земли. Сила обратно пропорциональна величине прогиба троса и прямо пропорциональна скорости подъема груза и его массе. Таким образом, сила Кориолиса мешает быстро поднимать грузы на геостационарную орбиту.

С силой Кориолиса можно бороться, просто запуская одновременно двух «альпинистов» - с Земли и с орбиты, но тогда сила между двумя грузами будет растягивать трос ещё сильнее. Как вариант - мучительно медленный подъём на гусеничном ходу.

4. Спутники и космический мусор

За последние 50 лет человечество запустило в космос множество объектов - полезных и не очень. Или строителям лифта придётся всё это найти и убрать (что невозможно, учитывая количество полезных спутников или орбитальные телескопы), или предусмотреть систему, защищающую объект от столкновений. Трос - теоретически неподвижен, поэтому любое вращающееся вокруг Земли тело рано или поздно с ним столкнётся. Кроме того, скорость при столкновении будет практически равна скорости вращения этого тела, так что тросу будет причинён большой ущерб. Маневрировать трос не может, а протяжённостью обладает большой, поэтому столкновения будут частыми.

Как с этим бороться, пока не ясно. Учёные говорят о постройке орбитального космического лазера для сжигания мусора, но это уж совсем из области научной фантастики.

5. Социальные и экологические риски

Космический лифт вполне может стать объектом террористической атаки. Успешная подрывная операция нанесёт огромный ущерб и может вообще похоронить весь проект, так что одновременно с лифтом придётся выстраивать вокруг него и круглосуточную оборону.

Экологи же считают, что кабель, как ни парадоксально, может сместить земную ось. Трос будет жёстко закреплён на орбите, и любое его смещение наверху отразится на Земле. Кстати, представляете, что случится, если он вдруг оборвётся?

Таким образом, реализовать такой проект на Земле очень сложно. А теперь хорошая новость: это будет работать на Луне. Сила притяжения на спутнике куда меньше, а атмосфера фактически отсутствует. Якорь можно создать в поле силы тяжести Земли, и трос с Луны будет проходить через точку Лагранжа - таким образом, мы получаем канал связь между планетой и её естественным спутником. Такой трос при благоприятных условиях сможет переправлять на орбиту земли около 1000 тонн груза в сутки. Материал, конечно, потребуется сверхпрочный, но ничего принципиально нового изобретать не придётся. Правда, длина «лунного» лифта должна будет составить около 190 000 км из-за эффекта, названного Гомановской траекторией.

Робокрысы, дроны-охотники, говорящие мусорки: 10 гаджетов и изобретений, изменяющих города