Космический лифт: обречен и опасен

В 2000 году доктор Брэдли Эдвардс (Bradley Edwards) выпустил отчет, в котором сообщалось о проведении предварительных исследований по построению космического лифта. Затем в Сиэтле была основана компания HighLift Systems, которой NASA выделила финансирование для разработки и постройки космического лифта. Согласно планам компании LiftPort, космический лифт будет построен, опробован и запущен в работу через 15 лет. В первые шесть лет компания будет привлекать инвестиции, с шестого года по десятый разрабатывать конструкцию лифта, и, наконец, в оставшиеся пять лет будет проходить непосредственно постройка.

В связи с возросшими опасениями ряда ученых относительно надежности космического лифта, д-р Эдвардс, являющийся в настоящее время руководителем проекта разработки космического лифта при NASA4, ответил на ряд вопросов, которые особенно интересуют общественность.

Что случится, если порвется лента?

Спроектированная лента будет вдвое жестче, чем это необходимо. Математическое моделирование показало, что предложенная в конструкции лифта лента разорвется при скорости ветра 72 м/с, т.е. при 5-балльном ветре или урагане. Погодные условия в месте, выбранном для расположения космического лифта, будут исключать возможность ураганов и молний. Скорее всего, станция лифта будет расположена в океане.

И все же, что произойдет, если лента порвется? Большая часть ленты улетит в космическое пространство, причем некоторая ее часть сгорит от высокой скорости полета в атмосфере. Нижняя часть ленты упадет в океан.

Не загрязнит ли лента и ее несгоревшие в атмосфере остатки океан? Вряд ли, так как вес километра ленты — 7,5 кг. При падении с высоты лента разовьет скорость, не большую, чем скорость раскрытой падающей газеты. Посторонний наблюдатель увидит, скорее всего, только яркую полоску через все небо (от сгоревшей ленты), а вот куски ленты будут долго находиться во взвешенном состоянии в воздухе.

Наибольшую опасность представляют собой транспортируемые грузы, потерявшие связь с лифтом. Грузы, достигшие орбит, останутся на орбитах. Те грузы, которые только начали движение, упадут вниз. Некоторые из грузов, достигшие скорости 11 км/с, вылетят в открытый космос.

Трос из нанотрубок: электрическая угроза?

У этой проблемы есть несколько аспектов. На возникновение электрического тока в ленте космического лифта могут влиять следующие факторы: электрические свойства земной атмосферы, перекачивание через лифт космической плазмы и постоянное пересечении лифтом магнитных полей Земли.

Атмосфера Земли содержит регионы разного заряда, которые все время находятся в движении. Они могут дать разность потенциалов, но только на малых дистанциях. Когда идет гроза и перемещение зарядов затрагивает большие дистанции, существует вероятность того, что молния повредит ленту лифта, но, как было сказано выше, конструкторы постараются так выбрать место расположения базовой станции, чтобы исключить возможность грозы. Базовая станция будет расположена на корабле, поэтому лифт будет обладать «мобильностью» и сможет при необходимости передвинуться, чтобы избежать шторма.

Заряды, связанные с космической плазмой, могут собираться на верхней станции лифта. Но возникающий ток настолько мал, что его не сравнить с током, полученным от присоединения к противоположным концам ленты обычной батарейки. Малое количество зарядов позволяет не учитывать эту опасность.

При пересечении магнитных полей проводником в нем возникает электрический ток. В данном случае лента неподвижна по отношению к магнитному полю Земли, и электрический ток, производимый в ленте, будет пренебрежимо мал. В современных телевышках электрический ток, производимый магнитными полями Земли, практически отсутствует.

Космические объекты будут задевать ленту лифта?

Космические объекты, находящиеся на низкой орбите Земли (Low Earth Orbit — LEO), будут составлять серьезную проблему. Чтобы лифт не сталкивался с различными объектами, предусматривается система активного уклонения. В среднем, необходимо будет избегать различных объектов один раз в 14 часов. Для построения системы отклонения необходимо разработать систему трассирования объектов, работающую с точностью до 1 см. Разработка такой системы входит в план исследований компании LiftPort. Существует несколько концепций построения космического лифта. В некоторых из них предлагается свободный конец ленты присоединять к астероиду. Этим решается проблема противовеса и добыча с астероида полезных ископаемых. В других проектах предлагается протянуть кабель толщиной от 10 до 30 м в диаметре. По мнению специалистов из LiftPort, этот вариант реализовать практически невозможно.

Споры вокруг проекта

Несмотря на предварительные расчеты, проделанные специалистами, доктор Никола Пуньо (Nicola Pugno) из политехнического института Турина (Италия) считает, что построить достаточно прочную ленту для передвижения космического лифта на основе нанотрубок невозможно. Свои доводы исследователь изложил в очередном выпуске журнала Nature.

Как утверждает д-р Пуньо, дефекты атомной структуры нанотрубок и многочисленные микрометеориты могут снизить жесткость всей ленты длиной 100 тыс. км почти на 70%, а это означает полную катастрофу для всего сооружения.

Действительно, лабораторные тесты показали, что нанотрубки сами по себе выдерживают до 100 гигапаскалей нагрузки — это беспрецедентное значение для материала, созданного человеком. Для нормального функционирования космического лифта будет достаточно троса-ленты с прочностью 62 гигапаскалей.

Однако, если в нанотрубочном волокне, составляющем трос, будет содержаться атомарный дефект — например, в нанотрубке будет отсутствовать хотя бы один атом углерода, — это снизит прочность всего троса уже на 30%. Такие дефекты в наноструктурах не редкость — как показывают исследования, на один микрон длины нанотрубки приходится один дефект. Это значит, что налицо непредусмотренное снижение прочности ленты, которое приведет к катастрофе.

С помощью математической модели, разработанной самим д-ром Пуньо, ученый показал, что прочность готовой ленты с учетом всех видов дефектов будет около 30 гигапаскалей. Итальянский ученый считает, что даже если удастся синтезировать безупречные нанотрубки, то вероятность того, что они будут повреждены при эксплуатации троса микрометеоритами, все же довольно высока.

Поэтому, на вопрос, будет ли создан космический лифт с использованием современных технологий, д-р Пуньо однозначно ответил: «Это невозможно».

Другого мнения придерживается д-р Эдвардс — руководитель проекта по созданию космического лифта. Да, пока еще не созданы тросы с необходимой жесткостью, но первые лабораторные образцы дают основания надеяться, что в будущем можно будет синтезировать цельный трос нужной длины. Также недавние исследования пучков нанотрубок показали, что их суммарная жесткость много выше, чем у одиночных трубок, и дефекты при этом не играют столь значительной роли. Также, аргументирует д-р Эдвардс, д-р Пуньо не учитывал конструкцию троса, а делал расчет исходя из цельного композита, что неверно. Так, сплетенные специальным образом волокна нанотрубок повышают прочность троса в несколько раз.

В заключение руководитель программы отметил, что результаты, полученные д-ром Пуньо, — не новость. Специалисты уже достаточно давно знают о всех дефектах нанотрубок, и расчеты NASA4 учитывают и это неприятное обстоятельство.

#gallery#

Кто прав — итальянский ученый или руководитель программы NASA4, — сегодня наверняка сказать нельзя. Ясно одно: следующие несколько лет окончательно положат конец спорам о возможности постройки космического лифта. И это связано, в первую очередь, с усилением исследовательской работы во всем мире в области свойств нанотрубок и композитов на их основе.