Предыдущая публикация
Космический лифт: главная инженерная задача XXI века.
Космический лифт обсуждают уже больше века. Все началось с идей российского ученого Константина Циолковского. А сегодня Obayashi Corporation уже планируют постройку такого подъемника.Рассказываем, что собой представляет космический лифт, и какие барьеры стоят на пути к его созданию.
Космос — одно из самых дорогих направлений современной науки и технологий. Каждый запуск ракеты требует сложной подготовки, огромных затрат и несет риск для груза и экипажа. Альтернативой может стать проект, который кажется фантастическим, но при этом не противоречит законам физики — космический лифт. Представьте конструкцию, способную доставлять грузы на орбиту плавно, безопасно и почти без выбросов в атмосферу.
Космос — одно из самых дорогих направлений современной науки и технологий. Каждый запуск ракеты требует сложной подготовки, огромных затрат и несет риск для груза и экипажа. Альтернативой может стать проект, который кажется фантастическим, но при этом не противоречит законам физики — космический лифт. Представьте конструкцию, способную доставлять грузы на орбиту плавно, безопасно и почти без выбросов в атмосферу.
За последние десятилетия идея обрела не только сторонников среди писателей-фантастов, но и реальные инженерные проекты. Однако от реализации ее до сих пор отделяет множество технических барьеров. Самый главный из них — отсутствие материала, способного выдержать колоссальные нагрузки троса длиной 36 тысяч километров.
Что такое космический лифт, и откуда взялась эта идея?
Космический лифт — это теоретическая конструкция, которая соединяет поверхность Земли с геостационарной орбитой на высоте около 35 786 км. По прочному тросу, закрепленному на экваторе, должны перемещаться подъемные модули — клаймеры. Они будут доставлять грузы и, возможно, людей в космос без использования ракет. Такая система кардинально изменит космическую логистику. Подъемник уменьшит стоимость доставки грузов на орбиту с десятков тысяч долларов за килограмм до сотен.
Что такое космический лифт, и откуда взялась эта идея?
Космический лифт — это теоретическая конструкция, которая соединяет поверхность Земли с геостационарной орбитой на высоте около 35 786 км. По прочному тросу, закрепленному на экваторе, должны перемещаться подъемные модули — клаймеры. Они будут доставлять грузы и, возможно, людей в космос без использования ракет. Такая система кардинально изменит космическую логистику. Подъемник уменьшит стоимость доставки грузов на орбиту с десятков тысяч долларов за килограмм до сотен.
Идея возникла задолго до появления подходящих технологий. Еще в 1895 году Константин Циолковский предложил построить гигантскую вышку до орбиты, вдохновившись Эйфелевой башней. Хотя он не описал трос, сама концепция связи между Землей и космосом появилась именно тогда.
В 1960 году инженер Юрий Арцутанов опубликовал статью в «Комсомольской правде», где впервые предложил спускать трос с орбиты, используя центробежную силу для натяжения. В 1975-м американский инженер Джером Пирсон разработал подробную физическую модель устройства, учитывающую вращение Земли и динамику нагрузки. А в 1979 году английский писатель и футуролог Артур Кларк популяризировал идею в своем романе «Фонтаны рая». Он описал функционирующий лифт, построенный на экваторе.
В 1960 году инженер Юрий Арцутанов опубликовал статью в «Комсомольской правде», где впервые предложил спускать трос с орбиты, используя центробежную силу для натяжения. В 1975-м американский инженер Джером Пирсон разработал подробную физическую модель устройства, учитывающую вращение Земли и динамику нагрузки. А в 1979 году английский писатель и футуролог Артур Кларк популяризировал идею в своем романе «Фонтаны рая». Он описал функционирующий лифт, построенный на экваторе.
По классической схеме такая система состоит из нескольких ключевых элементов:
* Трос — сверхпрочный и легкий материал, натянутый между Землей и орбитой, с продолжением вверх до 100−144 тыс. км для стабилизации;
* Противовес — масса, закрепленная выше геостационарной орбиты. Она удерживает конструкцию в равновесии;
*Клаймеры — роботизированные подъемники, которые движутся по тросу на электроприводе, с питанием от лазеров или солнечных панелей.
* Трос — сверхпрочный и легкий материал, натянутый между Землей и орбитой, с продолжением вверх до 100−144 тыс. км для стабилизации;
* Противовес — масса, закрепленная выше геостационарной орбиты. Она удерживает конструкцию в равновесии;
*Клаймеры — роботизированные подъемники, которые движутся по тросу на электроприводе, с питанием от лазеров или солнечных панелей.
Иллюстрация космического лифта.
Главная загвоздка в создании такого устройства — отсутствие доступного материала, который бы выдерживал колоссальное натяжение. Современные сырье вроде углеродных нанотрубок и графена теоретически подходит. Но пока их не получается произвести в нужных масштабах и с необходимой однородностью.
Тем не менее интерес к концепции не угасает. Разработки ведутся в Японии, Китае и США. А частные компании вроде Obayashi Corporation и LiftPort надеются построить демонстрационные версии уже в XXI веке.
Тем не менее интерес к концепции не угасает. Разработки ведутся в Японии, Китае и США. А частные компании вроде Obayashi Corporation и LiftPort надеются построить демонстрационные версии уже в XXI веке.
Материал, лучше всего подходящий для тросов космического лифта — углеродные нанотрубки.
Что мешает создать космический лифт прямо сейчас?
Самая серьезная проблема космического лифта — материал троса. Он должен быть невероятно прочным и одновременно легким. Чтобы конструкция не порвалась под собственным весом, ее удельная прочность должна превышать 50−60 гигапаскалей. Это в десятки раз больше, чем у стали или кевлара. Пока ни один промышленный материал не может похвастаться такими свойствами.
Главными кандидатами сегодня считаются углеродные нанотрубки и графен. В лабораторных условиях они показывают рекордную прочность — до 100 гигапаскалей. Но вырастить непрерывное волокно длиной хотя бы несколько метров пока не получается. А для космического лифта нужен трос длиной около 36 тыс км — от поверхности Земли до геостационарной орбиты.
Подробнее об особенностях материалов для космического лифта рассказал Александр Вайс, серийный FinTech and DeFi-предприниматель, разработчик и аналитик WEB3Bureau, член комиссии по ЦФА ТПП РФ и РСПП РФ:
"Углеродные нанотрубки обладают фантастической прочностью до ~100 ГПа и удельной прочностью многократно выше стали на уровне теории, но пока мы не научились производить их без дефектов и в нужной длине. Реальные образцы достигают лишь порядка 45 ГПа, что даже ниже теоретически требуемого ≈50 ГПа. Создать трос длиной 36 000 км — это не просто инженерный, а материаловедческий прорыв. Пока таких технологий нет."
Есть и множество других инженерных проблем. Например, космический мусор и микрометеороиды могут повредить кабель. Для защиты предлагают использовать многослойные или самовосстанавливающиеся структуры. Не исключено и создание нескольких параллельных тросов, чтобы сохранить устойчивость конструкции даже при повреждении одного из них.
"Углеродные нанотрубки обладают фантастической прочностью до ~100 ГПа и удельной прочностью многократно выше стали на уровне теории, но пока мы не научились производить их без дефектов и в нужной длине. Реальные образцы достигают лишь порядка 45 ГПа, что даже ниже теоретически требуемого ≈50 ГПа. Создать трос длиной 36 000 км — это не просто инженерный, а материаловедческий прорыв. Пока таких технологий нет."
Есть и множество других инженерных проблем. Например, космический мусор и микрометеороиды могут повредить кабель. Для защиты предлагают использовать многослойные или самовосстанавливающиеся структуры. Не исключено и создание нескольких параллельных тросов, чтобы сохранить устойчивость конструкции даже при повреждении одного из них.
Наземная станция лифта должна быть подвижной. Скорее всего, ее разместят в экваториальной части океана во избежание ураганов, молний и других опасных погодных условий. А сам трос будет постоянно натянут за счет противовеса на орбите — это обеспечит его вертикальную устойчивость.
Отдельная задача — подъемные модули или клаймеры. Они будут подниматься по тросу, используя лазерную передачу энергии с Земли или солнечные панели. Но для обоих вариантов придется создать надежные и энергоэффективные системы на высоте десятков тысяч километров.
Все это делает проект чрезвычайно сложным. Пока главный барьер — отсутствие подходящего материала. Но если технологии производства наноструктуральных волокон резко продвинутся, проект перейдет от фантастики к инженерной реальности.
Отдельная задача — подъемные модули или клаймеры. Они будут подниматься по тросу, используя лазерную передачу энергии с Земли или солнечные панели. Но для обоих вариантов придется создать надежные и энергоэффективные системы на высоте десятков тысяч километров.
Все это делает проект чрезвычайно сложным. Пока главный барьер — отсутствие подходящего материала. Но если технологии производства наноструктуральных волокон резко продвинутся, проект перейдет от фантастики к инженерной реальности.
Концепция еще одного проекта LiftPort — «The Earth Elevator»
Современные разработки и прототипы.
Идея космического лифта уже вышла за рамки фантастики — над ней работают инженеры в Японии, США и других странах. Пока речь идет о прототипах и демонстрационных проектах. Но главное — первые шаги сделаны.
В 2018 году японское агентство JAXA и Университет Сидзуоки провели первый в истории эксперимент с перемещением груза по тросу в открытом космосе. Проект STARS-Me включал два мини-спутника, соединенных 10-метровым кабелем. По нему перемещался моторизированный модуль — аналог будущего клаймера лифта. Это подтвердило, что движение по тросу в условиях микрогравитации возможно.
Японская компания Obayashi Corporation с 2012 года разрабатывает концепцию полноразмерного космического лифта. Проект предполагает постройку троса из углеродных нанотрубок длиной около 96 тыс км. Конструкция будет простираться от платформы на экваторе до геостационарной орбиты. По предварительным расчетам, подъемный модуль будет двигаться со скоростью 200 км/ч. Так путь до орбиты займет около 7 дней. Воплотить такой грандиозный проект планируют к 2050 году — если к тому времени появятся подходящие материалы.
Идея космического лифта уже вышла за рамки фантастики — над ней работают инженеры в Японии, США и других странах. Пока речь идет о прототипах и демонстрационных проектах. Но главное — первые шаги сделаны.
В 2018 году японское агентство JAXA и Университет Сидзуоки провели первый в истории эксперимент с перемещением груза по тросу в открытом космосе. Проект STARS-Me включал два мини-спутника, соединенных 10-метровым кабелем. По нему перемещался моторизированный модуль — аналог будущего клаймера лифта. Это подтвердило, что движение по тросу в условиях микрогравитации возможно.
Японская компания Obayashi Corporation с 2012 года разрабатывает концепцию полноразмерного космического лифта. Проект предполагает постройку троса из углеродных нанотрубок длиной около 96 тыс км. Конструкция будет простираться от платформы на экваторе до геостационарной орбиты. По предварительным расчетам, подъемный модуль будет двигаться со скоростью 200 км/ч. Так путь до орбиты займет около 7 дней. Воплотить такой грандиозный проект планируют к 2050 году — если к тому времени появятся подходящие материалы.
Существуют и другие стартапы — например, американская компания LiftPort. Она сосредоточена на создании промежуточных систем — лунного лифта или прототипов в атмосфере Земли. Также разные исследовательские группы экспериментируют с материалами на основе графена или углеродных нанотрубок, чтобы достичь необходимой прочности и гибкости троса.
Все проекты пока находятся на ранней стадии, но интерес к ним растет. Международная академия астронавтики уже включила космический лифт в дорожную карту перспективных космических технологий.
"Компании вроде Obayashi Corporation играют вдолгую. Они предполагают, что до 2050‑го построят анкерную платформу у экватора, к которой протянут CNT‑трос длиной ~96 000 км. Расчеты показывают техническую реализуемость проекта при условии наличия материала с прочностью 150 ГПа. Это не просто маркетинг, но и не инженерная готовность. Они моделируют, проектируют, изучают. Все это нужно, чтобы быть первыми, когда появится нужный материал. LiftPort пошел другим путем — они пробовали идею лунного лифта. На Луне или Марсе гравитация ниже, и трос можно сделать из уже существующих сверхпрочных волокон. Например, Dyneema, Spectra, Zylon, M5. Такой подход кажется более реалистичным. Луна — идеальный полигон для отработки технологий и логистики.
Интересно, что уже сейчас появляются альтернативные концепции — без троса. Например, орбитальные кольца или вращающиеся конструкции с подвесным элементом вроде «sling-on-a-ring». Пока это теоретические модели с массой рисков, но в будущем они могут сыграть свою роль. В общем, на данный момент это скорее технологический хайп с потенциальной инженерной подоплекой. Но без новейших сверхпрочных материалов и логистики реальный задел остается скромным," - Александр Вайс
Все проекты пока находятся на ранней стадии, но интерес к ним растет. Международная академия астронавтики уже включила космический лифт в дорожную карту перспективных космических технологий.
"Компании вроде Obayashi Corporation играют вдолгую. Они предполагают, что до 2050‑го построят анкерную платформу у экватора, к которой протянут CNT‑трос длиной ~96 000 км. Расчеты показывают техническую реализуемость проекта при условии наличия материала с прочностью 150 ГПа. Это не просто маркетинг, но и не инженерная готовность. Они моделируют, проектируют, изучают. Все это нужно, чтобы быть первыми, когда появится нужный материал. LiftPort пошел другим путем — они пробовали идею лунного лифта. На Луне или Марсе гравитация ниже, и трос можно сделать из уже существующих сверхпрочных волокон. Например, Dyneema, Spectra, Zylon, M5. Такой подход кажется более реалистичным. Луна — идеальный полигон для отработки технологий и логистики.
Интересно, что уже сейчас появляются альтернативные концепции — без троса. Например, орбитальные кольца или вращающиеся конструкции с подвесным элементом вроде «sling-on-a-ring». Пока это теоретические модели с массой рисков, но в будущем они могут сыграть свою роль. В общем, на данный момент это скорее технологический хайп с потенциальной инженерной подоплекой. Но без новейших сверхпрочных материалов и логистики реальный задел остается скромным," - Александр Вайс
Космический лифт: на грани реальности.
Идея космического лифта уже не кажется научной фантастикой. Ее активно обсуждают ученые, инженеры и частные компании. Существуют продуманные проекты, первые эксперименты в космосе и даже примерные сроки реализации. Но главное препятствие по-прежнему одно — отсутствие подходящего материала для троса.
Все остальные элементы — подъемные модули, наземные станции, источники питания — технологически достижимы уже сегодня. А значит, ключ к созданию подъемника на орбиту лежит в области материаловедения. Если в ближайшие десятилетия удастся разработать сверхпрочное и легкое волокно, космический лифт из футуристического образа превратится в реальный транспортный коридор между Землей и орбитой.
Источник: sciencemail....
#технологии
Идея космического лифта уже не кажется научной фантастикой. Ее активно обсуждают ученые, инженеры и частные компании. Существуют продуманные проекты, первые эксперименты в космосе и даже примерные сроки реализации. Но главное препятствие по-прежнему одно — отсутствие подходящего материала для троса.
Все остальные элементы — подъемные модули, наземные станции, источники питания — технологически достижимы уже сегодня. А значит, ключ к созданию подъемника на орбиту лежит в области материаловедения. Если в ближайшие десятилетия удастся разработать сверхпрочное и легкое волокно, космический лифт из футуристического образа превратится в реальный транспортный коридор между Землей и орбитой.
Источник: sciencemail....
#технологии
Следующая публикация
Комментарии 1