Космічний ліфт: від фантазії до проекту

Космічний ліфт: від фантазії до проекту

Космічний ліфт — один з найоригінальніших винаходів людського розуму. Причому ця ідея безпосередньо виростає з міфологічного світосприйняття, що сформувалося на зорі людської культури. Дитина бачить, як росте дерево — росте воно в небо, досягаючи порою чималої висоти. Спрацьовує гіперболізація, властива людському мисленню, і виникає гіпотеза: десь далеко, в казковій країні, напевно є дерева, що доростають до Місяця і зірок. І, піднявшись по такому дереву, можна проникнути в зовнішній космос.


Ідею космічного ліфта як обгрунтованого проекту запропонував ленінградський інженер Юрій Миколайович Арцутанов, в 1960 році що опублікував статтю "В космос — на електровозі". Він викладав її так:

"Візьміть шматочок шпагату і прив'яжіть до нього камінь. Почніть обертати цю примітивну пращу. Під впливом відцентрової сили камінь прагнутиме відірватися і туго натягне мотузок.

Ну а що буде, якщо такий "мотузок" зміцнити на земному екваторі і, протягнувши далеко в космос, "підвісити" на ній відповідний вантаж? Розрахунки показують, що якщо "мотузок" буде досить довгим, то відцентрова сила так само розтягуватиме її, не даючи впасти на Землю, як камінь натягує наш шпагат... На висоті близько 42 тисяч кілометрів відцентрова сила виявляється рівній силі тяжіння.

Ось, виявляється, яким довгим має бути наш "мотузок" в космос — п'ятдесят, а то і шістдесят тисяч кілометрів! Та і "вантаж" до неї має бути підвішений немалий — адже відцентрова сила повинна урівноважити вагу каната завдовжки майже в 40 тисяч кілометрів! Але якщо це буде зроблено, виникне пряма канатна дорога із Землі в космос!

Можна вже сьогодні уявити собі і деякі подробиці облаштування нашої "космічної канатної дороги". Передусім, вона складається не з однієї нитки, а з цілого пасма їх, що йдуть паралельно і сполучених між собою поперечними лямками. Це зроблено для захисту від метеорів, які легко можуть перебити поодиноку нитку. По-друге, ці нитки матимуть різну товщину в різних місцях. Мінімальною їх товщина буде у поверхні Землі, максимальної, — в тій точці, де відцентрова сила урівноважує силу тяжіння : це для того, щоб розтягуюча напруга була усюди однаковою. По-третє, нитки не будуть однорідними. Ймовірно, в їх мережу будуть вплетені металеві дроти для передачі електроенергії. Ймовірно, будуть і такі нитки, по яких зможуть рухатися космічні електропоїзди.".

Арцутанова не хвилювали ні технічні подробиці створення ліфта, ні його вартість, ні економічна доцільність — його захопила сама ідея, а розрахунком він довів, що з використанням нових матеріалів на основі алмазної нитки подібний проект цілком здійснимо.

"Фонтани раю"

Проект Арцутанова викликав певний інтерес в Радянському Союзі, але навряд чи отримав би розвиток у вигляді технічних пропозицій, якби в 1979 році не був опублікований науково-фантастичний роман Артура Кларка "Фонтани раю". При цьому в якості відправної точки письменник використав статтю чотирьох американських океанографів "Небесний крюк". Відмітно, що вони описували прямий канат постійного перерізу і довели, що при існуючих матеріалах космічний ліфт побудований бути не може. Таким чином, із самого початку Кларк узяв "нереальну" конструкцію. Усвідомлюючи цей факт, письменник ввів ще одне фантастичне допущення: через двісті років на орбітальних заводах почнуть в промислових кількостях робити нитку з "псевдоодновимірного алмазного кристала", яка практично невагома, але міцніше за будь-який земний матеріал — з цієї нитки і пропонується сплести канат космічного ліфта.

Артур Кларк працював над романом десять років і по ходу обмірковував проект океанографів. Хоча Арцутанов вирішив проблему забезпечення міцності каната ще в 1960 році, фантаст про це нічого не знав і відшукав вихід із скрутного становища в роботі американця Джерома Пирсона, який в 1975 році самостійно відкрив ідею космічного ліфта, довівши, що той технічно здійснимо, якщо зробити канат не з однаковим по усій довжині, а зі змінним перерізом: щонайтоншим біля Землі і найбільш товстим — на геостаціонарній орбіті. Крім того, потрібна противага, яка надаватиме ліфту стійкість, — противагою може служити або ще один такий же канат, протягнутий у бік місяця, або масивний астероїд, що приганяє на навколоземну орбіту.

Саме у такому вигляді космічний ліфт і описаний в романі "Фонтани раю". При цьому, коли Кларк дізнався про статтю Арцутанова, він охоче визнав його пріоритет, і з тієї миті авторитетний фантаст і простий ленінградський інженер стали хорошими друзями.

У 2000 році американський вчений БрЕд Едвардс випустив за замовленням агентства НАСА детальний звіт, в якому викладалися результати попередніх досліджень за проектом космічного ліфта. Спочатку дані Едвардса вселяли оптимізм. Американець показав, що кларковский "псевдоодновимірний алмазний кристал" фактично вже створений, і це — так звані одношарові вуглецеві нанотрубки, по своїй міцності на два порядки кращі марки, що перевищують, стали.

Розрахунки начебто підтверджували головне — теоретично нанотрубки дають як мінімум триразовий запас по міцності. Але це теоретично. Ось декілька цифр: необхідна міцність на розрив для однієї міліметрової нитки космічного ліфта має бути не нижча 65 гигапаскалей (що відповідає вантажу в 65 тонн), а кращі нанотрубки, що створюються сьогодні, забезпечують 52 гигапаскаля — теж непогано, але явно недостатньо. Надзвичайно висока і вартість нанотрубок — грам коштує 25 доларів, а на один трос для ліфта знадобиться 20 мільйонів грамів. Терпимо, але скільки доведеться натягнути таких тросів, ніхто сьогодні точно не знає і сказати не може.

Дуже різняться і оцінки вартості зведення ліфта. Наприклад, вищезгаданий БрЕд Едвардс вважає, що будова обійдеться в суму від 20 до 40 млрд. доларів, причому перша стрічка коштуватиме 6,2 млрд. В японській "Асоціації космічного ліфта" просять всього 10 млрд. І знову оцінки вселяють оптимізм — ціна виглядає помірної, порівнянної з ціною розробки нового космічного корабля типу "Спейс шатл", а результат буде в наявності: очікується, що використання ліфта понизить витрати на космічні запуски на два порядки і за рахунок це він швидко окупився.

Першим можливі проблеми виявив італійський ад'юнкт-професор Нікола Пуньо, який показав, що якщо одна нанотрубка втратить всього один атом вуглецю, її міцність відразу зменшиться на тридцять відсотків! Критики згадали і про те, що Землю оточують радіаційні пояси і найбільшу товщину вони мають якраз в екваторіальній зоні (на висотах від однієї до двадцяти тисяч кілометрів), тобто кабіна ліфта проходитиме через них, і пасажири піддадуться дії проникаючої радіації — кабіну доведеться забезпечувати потужним захистом, що помітно обважнюватиме ліфт. Далекі від вирішення і проблеми захисту від космічного сміття, і зіткнення з супутниками, підведення енергії і відведення надмірного тепла.

Проте, схоже, що точку в спорі поставить все ж економіка. Навіть приблизний розрахунок дає вартість кілограма вантажу, доставленого в космос, в 3000 доларів (що порівнянно з вартістю запуску за допомогою перспективних ракет), але за однієї "маленької" умови — якщо в рік на орбіту відправляти не менше двох мільйонів кілограмів корисного навантаження. Будь-який день простою, відповідно, збільшує витрати і знижує прибутковість. Ви знаєте хоч одне завдання, яке стояло б перед людством і вимагало б доставки на геостаціонарну орбіту по 5,5 тонн в добу? Таких завдань сьогодні просто немає.

Втім, якщо почекати двісті років, як пропонував Артур Кларк, то такі завдання можуть і з'явитися. Наприклад, людство захоче перетворити і колонізувати Марс. Чи побудувати армаду зорельотів, які відправляться до сусідньої планетної системи. У такому разі будівництво космічного ліфта або навіть декількох ліфтів стане насущною необхідністю, а усі технічні і економічні проблеми будуть вирішені.