Как и Стэнфордский тор, цилиндр О'Нила и Корабль поколений, космический лифт - одна из тех идей, которые продолжают появляться! Как только вы думаете, что ученые и инженеры отказались от этого, начинается новый раунд теоретических исследований, которые утверждают, как это можно сделать. Вы можете сказать, что идея космического лифта слишком хороша, чтобы от нее отказываться.
Принимая во внимание связанные с этим преимущества, это не должно вызывать удивления. Конечно, стоимость с точки зрения денег, ресурсов и времени будет значительной, равно как и связанные с этим инженерные и логистические проблемы. Но за единовременную плату за создание этой мегаструктуры мы смогли бы реализовать космическую солнечную энергию, среду обитания на орбите, города на Луне и Марсе и многое другое!
Не будет преувеличением сказать, что космический лифт позволит человечеству «построить дорогу в космос» (как говорит Джефф Безос) или стать «межпланетным видом» (как говорит Илон Маск).). По сути, любые планы по использованию космических ресурсов, спасению Земли от изменения климата и заселению всей Солнечной системы могут быть реализованы намного проще.
В предыдущей статье мы рассмотрели историю концепции, множество проведенных исследований и несколько предпринятых попыток. Однако в последние годы произошли значительные события, которые сами по себе заслуживают внимания. И что самое интересное, они могут привести к созданию космического лифта уже при нашей жизни.
Краткая история
Как и большинство революционных идей исследования космоса, выдержавших испытание временем, космический лифт восходит к российскому/советскому ученому-ракетчику Константину Циолковскому (1857-1935). Известный как один из «отцов-основателей» ракетостроения и космонавтики, Циолковскому приписывают формулировку «ракетного уравнения» и базовой конструкции, на основе которой построено большинство современных ракет.
Другие предложения, сделанные Циолковским, включали ракеты с рулевыми двигателями, многоступенчатые ускорители, космические станции с вращающимися вертушками (которые имитировали гравитацию), шлюзы и системы замкнутого цикла для обеспечения пищей и кислородом космических обитателей. Кроме того, он также задумал структуру, которая достигала геостационарной орбиты (ГСО) или высоты 22 236 миль (35 786 км).
Однако версия Циолковского призывала к компрессионной конструкции, которая была вдохновлена его визитом в Париж в 1895 году, где он впервые увидел Эйфелеву башню. Сам Циолковский отмечал, что это нереалистичная идея, поскольку ни один из известных материалов не был достаточно прочным, чтобы выдержать собственный вес при таком высоком росте.
В 1959 году советский инженер Юрий Арцутанов предложил более практичный вариант идеи (то, что он назвал «Электропоездом в космос»), предложив разместить станцию на ГСО и построить натяжную конструкцию. развернуты вниз. Этот «трос» соединит станцию с поверхностью и позволит доставлять полезные грузы на орбиту, используя очень мало энергии по сравнению с обычными ракетами.
Эта же концепция была предложена четырьмя американскими инженерами в 1966 году, которые независимо друг от друга пришли к одинаковым выводам относительно конструкции подвески. Их версия заново изобретенной концепции была известна как «Небесный крюк», что популяризировало эту идею среди аэрокосмических инженеров и ученых в Соединенных Штатах.
Во всех случаях проект предусматривал мегасооружение, состоящее из основания (или «якоря»), прикрепленного к мобильной платформе в море или стационарной на суше. Подвесной трос (или Tether) будет соединять базу с противовесом в космосе, которым может быть захваченный астероид или космопорт, расположенный за пределами ГСО (или их комбинация).
Доставлять полезные грузы и людей в космос и из космоса будет серия альпинистов (или канатных дорог), конструкция которых будет варьироваться в зависимости от количества автомобилей, развернутых на тросе, и конструкции троса. сам. Эти автомобили будут питаться от солнечных батарей, ядерных реакторов и беспроводной или прямой передачи энергии.
Увы, та же проблема, которая ставила в тупик Циолковского, на десятилетия будет ставить в тупик сторонников подвесных лифтов. Ни один известный материал никогда не был достаточно прочным, чтобы поддерживать объект на орбите.
Проблема с тросами
До недавнего времени каждое теоретическое исследование, касающееся космических лифтов, всегда упиралось в стену, когда дело доходило до вопроса о том, какой материал будет использоваться для изготовления троса. Во всех случаях отношение прочности на растяжение к весу никогда не было достаточно высоким, чтобы гарантировать, что конструкция не разрушится под действием силы тяжести Земли и ее вращения.
Как резюмировал Артур Кларк в своем выступлении на 30-м Международном астронавтическом конгрессе (IAC) в 1979 году под названием «Космический лифт: «Мысленный эксперимент или ключ к Вселенной?»»:
"Насколько мы близки к достижению этого с известными материалами? Не очень. Лучшая стальная проволока могла выдержать только жалкие 31 милю (50 км) или около того по вертикальной подвеске, прежде чем сломалась под собственным весом. …Беда металлов в том, что они хоть и крепкие, но тяжелые, нам нужно что-то и прочное, и легкое. Это наводит на мысль, что надо смотреть на современные синтетические и композиционные материалы. Кевлар… например, мог бы выдержать вертикальный длина 124 миль (200 км) перед съемкой - впечатляющая, но все же совершенно недостаточная по сравнению с необходимыми 3100 (5000)."
На основании различных оценок, используемый материал должен иметь прочность не менее 100 гигапаскалей (ГПа), чтобы выдерживать соответствующие напряжения. Для сравнения, конструкционная сталь A36 имеет предел прочности при растяжении около 550 МПа, или примерно 1/180 требуемой прочности. На протяжении второй половины 20-го века ни один известный материал (натуральный или синтетический) не подходил для этой задачи.
Предлагая свой «Электропоезд», Арцутанов предположил, что кабель может быть изготовлен из известных синтетических материалов, которые до сих пор производились в незначительных количествах. По его словам, первоначальный кабель будет иметь размер один миллиметр на поверхности Земли и простираться до высоты 31 068 миль (50 000 км) (около 8 700 миль или 14 000 км за пределами ГСО).
Эта дополнительная длина обеспечит дополнительную массу, необходимую для поддержания натяжения всей системы. Оттуда Арцутанов предложил использовать первоначальный кабель для размножения, пока 1000 кабелей не будут сгруппированы вместе. Он также предложил уменьшать толщину троса там, где он тоньше на уровне земли и наибольшей толщины на уровне земли, чтобы обеспечить постоянное напряжение.
В своем предложении «Sky-Hook» Isaacs et al. также предложил, чтобы толщина троса была наименьшей у Земли (одна пятисотая сантиметра) при сужении наружу. Они также кратко рассмотрели ряд материалов, включая кварц, графит, бериллий и даже алмаз, но пришли к выводу, что ни один из них не является достаточно прочным.
С разработкой углеродных нанотрубок в 1990-х годах интерес к этой концепции возродился. Это побудило Дэвида Смитермана из Управления передовых концепций НАСА (ACO) предположить, что эти материалы могут сделать возможным создание космического лифта. Он представил эти выводы на семинаре по передовой космической инфраструктуре, который проходил в Центре космических полетов им. Маршалла в июне 1999 года.
Они также были опубликованы в виде отчета в 2000 году под названием «Космические лифты: передовая земно-космическая инфраструктура для нового тысячелетия». По словам Смитермана, самыми легкими и прочными материалами, которые были легко доступны, были графито-эпоксидные композиты, но углеродные нанотрубки (позволяющие массовое производство) подходили бы гораздо лучше:
Если предположить, что космический лифт представляет собой сужающуюся, прочную однородную конструкцию с использованием самых прочных композитных материалов, доступных на сегодняшний день (графит-эпоксидная смола Spectra или PBO), диаметр на GEO составит 1,24 мили (2 км).) и будет сужаться до 1 мм у поверхности Земли. Масса привязной конструкции будет составлять примерно 60 × 10¹² тонн. Если углеродные нанотрубки можно превратить в непрерывные структурные элементы, то диаметр на ГСО потенциально может составлять всего 0,26 мм, у поверхности земли 0,15 мм, а общая масса троса составит всего 9,2 тонны».
Однако это было основано на консервативных оценках требуемой прочности на растяжение, которая, как он утверждал, составляла примерно 62,5 ГПа. Кроме того, его оценка прочности углеродных нанотрубок была довольно оптимистичной: «реальная прочность веревки из углеродных нанотрубок может быть намного выше."
Эта оптимистичная оценка была повторена Брэдли С. Эдвардсом, который выполнил технико-экономическое обоснование в 2000 году при поддержке Института перспективных концепций НАСА (NIAC). В своем заключительном отчете под названием «Космический лифт» он дал следующую оценку:
"[Углеродные нанотрубки] обещают стать самым прочным материалом из когда-либо обнаруженных. Эта прочность в сочетании с низкой плотностью материала делает его критически важным при рассмотрении конструкции космического лифта. Прочность на растяжение Теоретически и смоделировано, что давление углеродных нанотрубок составляет 130 ГПа по сравнению со сталью при <5 ГПа и кевларом при 3,6 ГПа. Плотность углеродных нанотрубок (1300 кг/м³) также ниже, чем у стали (7900 кг/м³) или кевлара. (1440 кг/м³)."
В 2003 г. Эдвардс дополнил этот документ заключительным отчетом NIAC по этапу II. Он еще раз выразил оптимизм в отношении того, что космический лифт можно построить с использованием доступных на тот момент технологий, и подчеркнул, что все зависит от поиска подходящего материала для привязи и что углеродные нанотрубки являются лучшим кандидатом.
Увы, когда эти отчеты были опубликованы, массовое производство было главным камнем преткновения для углеродных нанотрубок. Проще говоря, эти структуры «выращиваются», а не производятся машинами и имеют ограниченную длину. Текущий рекорд роста однотрубных по-прежнему составляет чуть менее 20 дюймов (50 см) и 5,5 дюймов (14 см) для «лесных» из них.
Более того, из тех труб, которые были произведены, их прочность на растяжение не соответствовала теоретическим или смоделированным результатам. Что еще хуже, гексагональные ковалентные связи, которые придают углеродным нанотрубкам их высокую прочность на растяжение, также делают их склонными к изнашиванию при воздействии экстремальных нагрузок.
Усилия по созданию космического лифта практически застопорились на этом этапе, примерно за год до того, как впервые был выделен графен.
Новые материалы
Из-за проблемы с углеродными нанотрубками сторонники космических лифтов после 2003 года, как правило, двигались в одном из двух направлений. С одной стороны, некоторые признали, что материальные проблемы не будут решены в ближайшее время, и переориентировались их усилия по предложению лифтов для других небесных тел, наиболее заметным из которых является Лунный космический лифт.
Другие возлагали надежды на суперматериалы, которые (до недавнего времени) все еще находились в теоретической стадии. В последние годы многие из этих материалов перешли из теоретической фазы в производственную. Примеры включают наноалмазную нить и (что более важно) графен.
Графен представляет собой аллотроп углерода, состоящий из отдельных слоев атомов, расположенных в наноструктуре с сотовой решеткой. Название происходит от «графита», кристаллической формы углерода с атомами, расположенными в гексагональной структуре, с суффиксом -ен, указывающим на то, что материал содержит многочисленные связи.
Изучение графена выросло из экспериментов с оксидом графита в середине 19 века. К середине 20 века ученые начали теоретизировать о существовании графена как однослойной структуры графита. С начала 2000-х годов ученые многое узнали о свойствах этого материала и потенциальных применениях.
Одним из таких людей является Адриан Никсон, дипломированный химик, член Королевского химического общества, член стратегического консультативного совета международной ассоциации космического транспорта StellarModal и член правления Международного консорциума космических лифтов ISEC. (ISEC).
Никсон также является основателем и членом совета директоров Nixene Publishing и редактором ее флагманского издания - Nixene Journal. Этот журнал является аффилированным членом Инновационного центра графеновой инженерии Манчестерского университета (GEIC) - инженерного центра, который специализируется на быстрой разработке и расширении масштабов графена и других 2D-материалов.
В марте 2021 года Фонд будущего (двухпартийный комитет политических действий) поручил Адриану и его коллегам подготовить отчет¹ о состоянии графена для правительства США и политиков.
Как Никсон рассказал журналу «Интересно инженеринг», еще несколько лет назад графен считался невозможным материалом. Однако в 2004 году исследователи из Манчестерского университета впервые выделили графен. Это привело к тому, что область графена и 2D-материалов стала реальностью, а Манчестерский университет стал одним из ключевых центров исследований.
"Национальный институт графена (NGI) проводит фундаментальные научные исследования, Инновационный центр графеновой инженерии (GEIC) проводит прикладные исследования и превращает науку в технологию, а затем помогает навести мост в "долине смерти" за то, что взяли технологию и помогли масштабировать ее, чтобы она стала промышленно-коммерческой», - сказал Никсон.
Со временем появились новые технологии, позволяющие производить монокристаллический графен в виде листов размером в сантиметры, а не только микроны. Большая заслуга в этом принадлежит Альфонсо Рейне и его коллегам из Массачусетского технологического института, которые в 2009 году продемонстрировали, как можно производить графен с помощью метода химического осаждения из паровой фазы (CVD)..
С тех пор относительно недорогой и масштабируемый метод CVD превратился из периодического процесса в непрерывный промышленный процесс. Однако только десятилетие спустя графен стал рассматриваться как возможный материал для тросов космического лифта.
В 2021 году Адриан Никсон, Дебби Нельсон и Роб Уилдон имели возможность проинформировать НАСА о потенциале графена на серии лекций о коммерческом космосе - еженедельной телеконференции, на которой НАСА и представители коммерческих космических сообщество собирается вместе, чтобы обсудить взаимные проблемы, проблемы и возможности.
Презентация под названием «Невозможно для промышленности за 17 лет» показала, как графен продвинулся от теории к точке, где он может быть запущен в массовое производство, чуть более чем за полтора десятилетия. Как они указали, методы промышленного производства графена увеличились как в масштабах, так и в скорости².
В настоящее время достигнута точка, когда можно производить непрерывные графеновые волокна километрового масштаба. Исследователи из Массачусетского технологического института разработали технологию непрерывной рулонной печати, которая позволяет создавать большие листы графена со скоростью около 2 метров в минуту. Более того, в виде монокристаллических листов графен имеет предел прочности при растяжении около 130 ГПа, или в 236 раз прочнее стали.
¹Никсон А., Уилдон Р. и Нельсон Д., «Графен: производство, применение и экономическое воздействие». 1-е изд. Манчестер: Nixene Publishing (2021).
²Никсон, А. «Пейзаж графена и графита: признаки неисследованной территории». Никсен Журнал, Vol. 2021. Т. 5, № 10. С. 8-19.
Новое видение космоса
Как отмечалось в предыдущей статье, потенциальные преимущества космического лифта многочисленны и значительны. Согласно исследованию, проведенному Университетом Колорадо, стоимость отправки полезной нагрузки в космос с помощью космического лифта может составлять всего 113 долларов за фунт (250 долларов за кг). Это в пять-десять раз дешевле, чем сегодня обходится отправка полезных грузов и экипажей в космос с использованием современных многоразовых ракет.
Это также в семьдесят четыре раза дешевле, чем полет в космос между 1970 и 2000 годами с использованием обычных ракет и пусковых систем. Но эти преимущества увеличиваются экспоненциально, если учесть типы полезной нагрузки, которые это позволит, не говоря уже об экологических преимуществах системы, которая не использует химические ракетные топлива.
Общая архитектура, которую рассматривает ISEC (называемая «Галактическая гавань»), тем не менее, выходит за рамки создания одного космического лифта. Согласно документу с изложением позиции ISEC от 2020 года, озаглавленному «Космические лифты - транспортная история 21 века», их план состоит в том, чтобы создать семейство из шести лифтов, построенных попарно в трех точках по всей планете.
Это будет включать в себя установки Галактической гавани с двумя лифтами в Атлантическом океане, Индийском океане и Тихом океане. Эта архитектура также предполагает совместное использование ракет и космических лифтов для создания космической транспортной инфраструктуры, которая позволит совершать межпланетные путешествия во второй половине века.
Подробности этой архитектуры были изложены доктором Суоном и его коллегами в документе с изложением позиции ISEC 2020 года под названием «Космические лифты - это транспортная история 21 века». Среди преимуществ, которые они называют, космический лифт:
- Откройте бесконечные возможности для коммерческих предприятий, исследований и путешествий
- Перемещать 170 000 тонн грузов в год на геостационарную орбиту Земли (ГЕО) и дальше
- Включить создание космических станций на GEO, в точках Лагранжа и за их пределами
- Разрешить быстрый переход на орбиту (7,76 км/с) регулярно, безопасно и надежно
- Разрешить быстрый переход на Марс (минимум от 61 дня до 400+ дней)
- Разрешить запуск миссий на Марс каждый день (а не раз в 26 месяцев)
- Не создают выхлопы ракет и не способствуют глобальному потеплению
- Не добавлять дополнительный космический мусор
Экологичность этой архитектуры имеет первостепенное значение. Полагаясь только на электричество, которое может обеспечиваться солнечной энергией, индукцией, атомной энергией или их комбинацией, Галактическая гавань сможет размещать полезные грузы на орбите, для чего в противном случае потребовались бы десятки (или сотни) запусков ракет.
С ростом коммерческого космического сектора и возобновлением интереса к исследованию космоса такие страны, как США. Ю., Китай, Индия и другие надеются резко увеличить количество проводимых ими запусков в год. Тем временем провидцы, такие как Илон Маск и Джефф Безос, предлагают крупные проекты (строительство города на Марсе, обитание в космосе и т. д.), которые потребуют тысяч запусков в год.
Запуск одной ракеты может привести к выбросу в верхние слои атмосферы до 300 тонн углекислого газа, где он может оставаться годами. Хотя это значительно меньше пассажирских рейсов, которые выбросили в атмосферу в общей сложности 900 миллионов метрических тонн только в 2018 году, увеличение количества запусков, проводимых каждый год, значительно увеличит углеродный след человечества.
Другие «зеленые» аспекты этой технологии заключаются в том, что она будет способствовать практическому созданию таких технологий, как солнечные батареи космического базирования. Некоторое время ученые считали это одним из самых перспективных средств борьбы с глобальным потеплением. Имея возможность поднимать тяжелые грузы на орбиту за копейки на доллар и не выбрасывая тонны углерода в атмосферу, космические лифты также могут помочь решить климатический кризис.
Что касается стоимости изготовления такой мегаструктуры, то это, пожалуй, самая обнадеживающая новость из всех. Доктор Свон, Никсон и их коллеги считают, что это можно сделать за очень разумные 18 миллиардов долларов, что меньше, чем НАСА в настоящее время тратит ежегодно. Более того, их прогнозы указывают на то, что производство может начаться до конца следующего десятилетия. Сказал доктор Никсон:
"Если мы снизим предполагаемую стоимость производства до одного цента на квадратный метр, то мы получим 3,6 миллиарда долларов на производство троса. Теперь нам предстоит пройти долгий путь, чтобы достичь этого, но эксперты видят будущее, потребность в космических лифтах и [спрос на] транспортную инфраструктуру. Таким образом, у вас остается 14,4 миллиарда долларов на остальные сегменты Space Elevator».
«Одним из ключевых моментов является то, что цены на материалы падают, а технология ускоряется, приближаясь к реальным производственным технологиям для промышленного использования», - добавил д-р Свон. «Этот внешний (со стороны SE) спрос подталкивает технологии производства канатов. Нам, людям из SE, нравится то, что происходит, и мы видим, что материал готов для нас к сроку эксплуатации около 2037 года».
Есть причина, по которой интерес к космическому лифту сохраняется все это время. Хотя когда-то это считалось чем-то из области научной фантастики, а затем отдаленной перспективой, быстро приближается день, когда это станет реальной возможностью. Главный камень преткновения теперь устранен с изоляцией графена и развитием промышленных производственных мощностей.
Конечно, есть еще некоторые проблемы, которые стоят на пути реализации. Как объяснили доктор Свон, Никсон и Нельсон, их можно разделить на три категории. Во-первых, существует проблема масштаба, поскольку производителям все еще необходимо развивать возможности для создания листов графена длиной в несколько километров.
Во-вторых, есть проблема со скоростью, когда производство должно быть увеличено до нескольких метров в минуту (или даже в секунду). В-третьих, существует проблема контроля качества, когда необходимо производить монокристаллические листы (а не поликристаллические) графена, а также необходимо разработать тесты для измерения качества в нанометровом, метровом и километровом масштабе.
Но по сравнению с предыдущими препятствиями, с которыми приходилось сталкиваться ученым, эти препятствия со временем будут полностью преодолимы. Уже многие исследователи работают над решением этих проблем. И, учитывая скорость, с которой все идет вперед, не должно пройти много времени, прежде чем все технико-экономические оценки согласятся, что это можно сделать.
Тогда, как говорится, "осталось только сделать это!"