Какое самое большое препятствие, стоящее сегодня перед исследованием космоса? Что единственное, что мешает нам создавать обширные поселения, рисковать дальше в Солнечную систему и открывать вселенную не только для сверхбогатых, но и для всех нас, желающих отправиться вглубь космоса? Это не вопрос понимания физики или инженерии. Мы уже точно знаем, что нам нужно делать. Самая большая проблема, мешающая нам колонизировать нашу звездную систему, - это цена.
Изображение космического лифта, перевозящего людей в атмосфере планеты. Изображение Гленна Кловиса.
В зависимости от того, какие оценки вы используете, отправка чего-либо в космос обходится примерно в 10 000 долларов примерно за 400 грамм веса. Это составляет более 1 миллиона долларов на человека. Отчасти сумма так велика из-за неэффективности ракетных кораблей.
Давайте порассуждаем: будет ли вам эффективнее брать с собой немного топлива в долгую поездку и заправляться по пути на заправочных станциях, или же эффективнее брать с собой тонны топлива с самого начала, чтобы нет не останавливаться и заправляться без необходимости?
Конечно, гораздо эффективнее возить мало топлива и останавливаться на заправках по пути. Запуск с небольшим количеством топлива означает, что большая часть веса может приходиться на автомобиль и его пассажиры, а энергия топлива пойдет на их движение. Однако, если вы берете с собой максимальное количество топлива с самого начала, это не только делает транспортное средство намного тяжелее, но большая часть энергии тратится на перемещение такого количества топлива из-за веса, что значительно снижает эффективность системы.
К сожалению, заправочных станций для ракет в космосе пока нет. Это означает, что топливо - смесь топлива и окислителя - занимает 80% стартовой массы ракеты. Только 16% массы составляет сама ракета, и ничтожные 4% - это груз. Но больших денег стоит не топливо. Это всего лишь несколько сотен тысяч долларов из средней стоимости запуска ракеты в 150 миллионов долларов. Большая часть стоимости расходуется самой ракетой. Эта ракета выбрасывается после однократного использования.
Предложения о том, как снизить стоимость освоения космоса, включают восстановление и ремонт ракет, разработку космических самолетов, которые могут использовать несколько типов двигателей для достижения 25 Маха (орбитальная скорость), и использование серии контролируемых взрывов для снижения потребности в топливе на борту.
Но одна технология, в частности, показывает наиболее многообещающие из всех, поскольку она способна открыть вселенную и снизить затраты на исследования в 100 раз. Это технология, о которой мечтали веками, но только сейчас мы разрабатываем материалы, необходимые для ее воплощения в жизнь.
Американский космический шаттл был разработан как многоразовая ракета-носитель, которая резко снизила бы стоимость исследования космоса. Однако стоимость ремонта машины оказалась дороже, чем просто создание новой ракеты в целом.
Речь идет о космическом лифте. Прочные, но легкие кабели протянутся на 100 000 км в верхние слои атмосферы, пока не достигнут четверти расстояния между Землей и Луной. Альпинист будет переправлять людей с поверхности планеты в межзвездные просторы наверху, способные одновременно нести до 18 000 килограмм груза. Если МКС весит около 400 тонн, это означает, что космический лифт сможет поднимать достаточно материала, чтобы каждый месяц строить новую космическую станцию.
Сама идея кажется фантастической, но в системе космических лифтов нет ничего слишком сложного. Он состоит всего из 4 основных частей: базовой станции на Земле, кабелей, альпиниста для подъема груза и противовеса в космосе, который натягивает кабель. Противовесом могут служить несколько объектов.
Достаточно собрать космический мусор, космическую станцию или даже астероид, достаточно близко расположенный, чтобы мы могли его захватить. Этот противовес должен находиться на расстоянии не менее 36 000 км от поверхности Земли, но в идеале он должен находиться на расстоянии 100 000 километров. На этом расстоянии противовес может гарантировать, что центр масс всей системы останется на геостационарной орбите, положение, в котором объекты остаются неподвижными относительно поверхности Земли.
Самая большая проблема лифта - это не противовес, а сам трос. Никогда в мировой истории не было материала, прочного, легкого и достаточно гибкого, чтобы выполнить эту роль. Только когда мы начали использовать углеродные нанотрубки в 90-х годах, мы нашли настоящего кандидата для нашего кабеля.
Чистые, совершенные углеродные нанотрубки более чем в 100 раз прочнее стали, но при этом остаются тонкими, гибкими и химически стабильными. Они также являются отличными проводниками электричества и тепла. К сожалению, мы пока не знаем, как производить углеродные нанотрубки на нужные нам расстояния в тысячи миль. Самая длинная нанотрубка, построенная до сих пор, составляет всего полтора фута в длину, хотя японские исследователи действительно добились больших успехов, разработав лес нанотрубок только в прошлом году. Лес, представляющий собой очаровательное скопление наростов углеродных нанотрубок, достиг 14 см в длину, что намного превышает предыдущий рекорд - всего 2 см.
Японские исследователи вырастили самый длинный в истории лес из углеродных нанотрубок. Изображение Хисаши Сугимэ, Университет Васэда.
Это далеко не та длина, которая нам понадобится, чтобы построить лифт. Однако большая часть медленных достижений в области углеродных нанотрубок сводится к деньгам. Нанотрубки найдут свое место на рынке, поскольку они интегрированы в бытовую электронику, но на суше нет рынка для нанотрубок, способных простираться на 100 000 километров.
Из-за финансирования исследований общая стоимость космического лифта колеблется от 10 до 90 миллиардов долларов. Тем не менее, это может снизить стоимость строительства новой космической станции со 100 миллиардов долларов до 5 миллиардов долларов, окупив себя за короткий промежуток времени. Амбициозные оценки первого космического лифта на Земле колеблются в период с 2035 по 2050 год, при этом различные китайские и японские компании вкладывают деньги в исследования материалов.
Другие технические трудности включают строительство передвижной морской базы для лифта, выяснение того, как отремонтировать его после износа, и понимание того, как привести в действие альпиниста, а также защиту всей системы от молний и террористических актов.
Но для каждой проблемы, которую представляет лифт, он также имеет новые преимущества. Снижая стоимость с 10 000 долларов за 400 грамм веса до 250 долларов за 400 грамм груза, эта новая технология обеспечит лучшую астрономию, более функциональные системы связи и GPS, доступ к обильным космическим ресурсам и возможность компенсировать вековое глобальное потепление, запустив крышку, блокирующую часть солнечного света.
Безусловно, величайший подарок, который может предложить космический лифт, - это претворить наши мечты в жизнь космической эры. Наш прогресс в освоении космоса застопорился из-за денег, и один из самых больших вкладов, который может внести наше поколение, - это снижение затрат.
Если было интересно, поставьте палец вверх и подписывайтесь на канал, спасибо за чтение!
Переведено на русский с
Комментарии (0)