Kosmicheskii lift i nanotehnologii
17.08.2004 19:43 | Izvestiya-Nauka

Dlya togo chtoby vyiti v kosmicheskoe prostranstvo, ne obyazatel'ny opasnoe puteshestvie na rakete, horoshee zdorov'e, krepkie nervy i mnogo deneg. Issledovateli predlagayut ispol'zovat' "Kosmicheskii lift".

Segodnya, dlya togo, chtoby vyiti v kosmicheskoe prostranstvo, neobhodimo prodelat' opasnoe puteshestvie na rakete. Dlya togo, chtoby vas vzyali v kosmos, nuzhno horoshee zdorov'e, krepkie nervy i mnogo deneg. Issledovateli iz NASA i kompaniya LiftPort Inc. predlagayut uprostit' vyvod krupnyh ob'ektov na orbitu, ispol'zuya sistemu, nazvannuyu imi "Kosmicheskim liftom".

Chto eto voobshe takoe

Vot kak ob'yasnyaet koncepciyu kosmicheskogo lifta doktor Bredli Edvards v otchete NIAC: "Kosmicheskii lift - eto lenta, odin konec kotoroi prisoedinen k poverhnosti Zemli, a drugoi nahoditsya na geosinhronizirovannoi orbite v kosmose (na vysote 100 000 km). Gravitacionnoe prityazhenie nizhnego konca lenty kompensiruetsya siloi, vyzvannoi centrostremitel'nym uskoreniem verhnego konca. Takim obrazom lenta postoyanno nahoditsya v natyanutom sostoyanii. Izmenyaya dlinu lenty, mozhno dostigat' raznyh orbit. Kosmicheskaya kapsula, soderzhashaya poleznyi gruz, budet peredvigat'sya vdol' lenty. Dlya nachal'nogo starta kapsuly potrebuetsya usilie, no, kak tol'ko ona budet priblizhat'sya k koncevoi stancii, ee skorost' budet uvelichivat'sya iz-za centrostremitel'nogo uskoreniya vsei sistemy. Na konechnoi stancii, esli eto neobhodimo, kapsula otsoedinyaetsya ot lifta i vyhodit v otkrytyi kosmos. Skorost' kapsuly pri etom budet sostavlyat' 11 km/s. Etoi skorosti budet dostatochno dlya togo, chtoby nachat' puteshestvie k Marsu i drugim planetam. Takim obrazom, zatraty na pusk kapsuly budut tol'ko v nachale ee puti na orbitu. Spusk budet proizvodit'sya v obratnom poryadke - v konce spuska kapsulu budet uskoryat' gravitacionnoe pole Zemli. Mozhno ispol'zovat' kosmicheskii lift v kachestve "puskovoi platformy" dlya kosmicheskih korablei, zapuskaemyh k drugim planetam, sputnikam i asteroidam (Marsu, Venere, Lune). Eto pomozhet sokratit' rashody, svyazannye s tradicionnym zapuskom himicheskih raket. Takzhe mozhno postroit' lift gruzopod'emnost'yu do 100 tonn, chto pozvolit stroit' na orbite bol'shie kolonii i orbital'nye stancii."



Otchet mozhno skachat' zdes' (4,5 Mb): http://flightprojects.msfc.nasa.gov.

Estestvenno, chto posle oznakomleniya s etim proektom voznikaet ryad somnitel'nyh voprosov. Kompaniya LiftPort Inc. privodit spisok naibolee rasprostranennyh voprosov i svoih otvetov na nih.

Kak vy sobiraetes' sohranyat' uglovoi moment postoyannym?

Bol'shei chast'yu my polagaemsya na to, chto eto sdelaet Zemlya. No my predusmotreli tyazhelye "yakorya" na oboih koncah lifta dlya togo, chtoby uvelichit' inerciyu sistemy i, takim obrazom, derzhat' ee v ravnovesii.

Chto sluchitsya, esli porvetsya lenta?

Nachnem s togo, chto sproektirovannaya lenta budet vdvoe zhestche, chem eto neobhodimo. Pogodnye usloviya v meste, vybrannom dlya raspolozheniya kosmicheskogo lifta, budut isklyuchat' vozmozhnost' uraganov i molnii. Skoree vsego, stanciya lifta budet raspolozhena v okeane. No vse zhe, chto proizoidet, esli lenta porvetsya? Bol'shaya chast' lenty uletit v kosmicheskoe prostranstvo, prichem nekotoraya ee chast' sgorit ot vysokoi skorosti poleta v atmosfere. Nizhnyaya chast' lenty upadet v okean. Ne zagryaznit li lenta i ee nesgorevshie v atmosfere ostatki okean? Vryad li, tak kak ves kilometra lenty - 7,5 kg. Pri padenii s vysoty, lenta ne razov'et bol'shei skorosti, chem raskrytaya padayushaya gazeta. Postoronnii nablyudatel' uvidit, skoree vsego, tol'ko yarkuyu polosku cherez vse nebo (ot sgorevshei lenty), i vse. Konechno, kuski lenty budut dolgo nahodit'sya vo vzveshennom sostoyanii v vozduhe. Naibol'shuyu opasnost' predstavlyayut soboi transportiruemye gruzy, poteryavshie svyaz' s liftom. Gruzy, dostigshie orbit, ostanutsya na orbitah. Te gruzy, kotorye tol'ko nachali dvizhenie upadut vniz. Nekotorye iz gruzov, dostigshie skorosti 11 km/s vyletyat v otkrytyi kosmos.

Budut li vliyat' na lift neblagopriyatnye pogodnye usloviya?

Budet li veter na bol'shih vysotah problemoi? Matematicheskoe modelirovanie pokazalo, chto predlozhennaya v konstrukcii lifta lenta razorvetsya pri skorosti 72 m/s, t.e. pri 5-bal'nom vetre, ili uragane. Predlozhennoe raspolozhenie lifta (na platforme v okeane) ne budet nahodit'sya v zone sil'nyh vetrov i uraganov.

Budet li lenta proizvodit' elektricheskii tok iz-za raznosti potencialov? Budet li lenta dlinoi 100000 km predstavlyaet soboi elektricheskuyu ugrozu?

V etoi probleme est' neskol'ko aspektov. Elektricheskii tok po lente kosmicheskogo lifta mozhet tech' tol'ko blagodarya: 1) elektricheskim svoistvam zemnoi atmosfery; 2) perekachivanii cherez lift kosmicheskoi plazmy; 3) postoyannom peresechenii liftom magnitnyh polei Zemli.





1) Atmosfera Zemli soderzhit regiony raznogo zaryada, kotorye vse vremya nahodyatsya v dvizhenii. Oni mogut dat' raznost' potencialov, no tol'ko na malyh distanciyah. Kogda idet groza i peremeshenie zaryadov zatragivaet bol'shie distancii, est' vozmozhnost' togo, chto molniya povredit lentu lifta, no kak bylo skazano vyshe, konstruktory postarayutsya tak vybrat' mesto raspolozheniya bazovoi stancii, chtoby isklyuchit' vozmozhnost' grozy. Bazovaya stanciya budet raspolozhena na korable, poetomu lift budet obladat' "mobil'nost'yu", i smozhet, pri neobhodimosti, peredvinut'sya, izbegaya shtorma.

2) Zaryady, svyazannye s kosmicheskoi plazmoi, mogut sobirat'sya na verhnei stancii lifta. No tok, provociruemyi imi nastol'ko mal, chto ne sravnim s tokom, poluchennym ot prisoedineniya k protivopolozhnym koncam lenty obychnoi batareiki. Maloe kolichestvo zaryadov pozvolyaet ne uchityvat' etu opasnost'.

3) Pri peresechenii magnitnyh polei provodnikom, v nem proizvoditsya elektricheskii tok. V nashem sluchae lenta nepodvizhna po otnosheniyu k magnitnomu polyu Zemli, i elektricheskii tok, proizvodimyi v lente budet ochen' mal. poetomu etoi opasnost'yu tozhe mozhno prenebrech'. V sovremennyi televyshkah elektricheskii tok, proizvodimyi magnitnymi polyami zemli, prakticheski otsutstvuet.

Budut li razlichnye ob'ekty zadevat' lentu?

Budet li kosmicheskii musor i sputniki problemoi? Kosmicheskie ob'ekty, nahodyashiesya na nizkoi orbite Zemli (Low Earth Orbit - LEO) budut sostavlyat' ser'eznuyu problemu. Dlya togo, chtoby lift ne stalkivalsya s razlichnymi ob'ektami, budet predusmotrena sistema aktivnogo izbeganiya prepyatstvii. V srednem, neobhodimo budet izbegat' razlichnyh ob'ektov odin raz v 14 chasov. Dlya postroeniya sistemy otkloneniya neobhodimo razrabotat' sistemu trassirovaniya ob'ektov, rabotayushuyu s tochnost'yu do 1 santimetra. Razrabotka takoi sistemy vhodit v plan issledovanii kompanii LiftPort.

Sushestvuet neskol'ko koncepcii postroeniya kosmicheskogo lifta. V nekotoryh predlagaetsya svobodnyi konec lenty prisoedinyat' k asteroidu. Etim reshaetsya problema protivovesa i dobycha s asteroida poleznyh iskopaemyh. Nekotorye proekty predlagayut protyanut' kabel' tolshinoi ot 10 do 30 metrov v diametre. Kak govoryat specialisty iz LiftPort, eto prosto nevozmozhno realizovat'.



Prichem tut nanotehnologii

Pravda, esli by ne bystroe razvitie nanotehnologii i otkrytie nanotrubok, koncepciya kosmicheskogo lifta ne prodvinulas' by dal'she nauchnoi fantastiki. Nado skazat', chto idee kosmicheskogo lifta uzhe bol'she sta let. Vpervye o pod'emnike takogo roda zagovoril v 1895 godu Konstantin Ciolkovskii. Osnovopolozhnik sovremennoi kosmonavtiki predlozhil postroit' bashnyu vysotoi v tysyachi kilometrov, kotoraya dolzhna byla byt' ukreplena na kakoi-libo tverdi na okolozemnoi orbite. Samym prochnym materialom v to vremya byla stal', no dlya stroitel'stva "bashni" ona byla slishkom tyazhela.

Odnosloinye uglerodnye nanotrubki, izobretennye v 1991 godu, dostatochno prochny dlya togo, chtoby sluzhit' osnovoi lenty lifta. Oni prochnee stali v 100 raz. Teoreticheski, oni v 3-5 raz prochnee, chem nado dlya postroiki lifta.



Pravda, samye dlinnye nanotrubki, kotorye udalos' izgotovit', dlinoi v neskol'ko santimetrov. A eto ne dazhe kilometr, ne govorya o 100 000 kilometrah.

No sovsem net neobhodimosti delat' vsyu lentu dlinoi 100 000 km iz cel'nyh nanotrubok. Otdel'nye frakcii, sostoyashie iz nanotrubok dlinoi do 2 santimetrov budut imet' takuyu zhe prochnost' razryva, kak i dlinnye. Pravda, issledovateli iz LiftPort pytayutsya naiti metody soedineniya frakcii v bolee dlinnye polosy bez poteri prochnosti. Kak oni utverzhdayut, lenta budet predstavlyat' soboi polimernuyu strukturu s vklyucheniyami nanotrubok. Dlya lenty kosmicheskogo lifta almazoid byl by universal'nym materialom. On budet harakterizovat'sya bol'shei prochnost'yu, no, opyat'-taki, poka net effektivnyh sposobov polucheniya i massovogo proizvodstva almazoidnyh materialov.

Kompaniya nastroena vpolne optimistichno, tak kak nedavno stalo izvestno o novyh tehnologiyah v proizvodstve nanotrubok. Tak, uchenye iz Kembridzhskogo universiteta razrabotali sposob formirovaniya pryazhi iz dlinnyh volokon, kotorye sostoyat iz nanotrubok. Alan Uindl (Alan Windle) i ego kollegi iz Kembridzha dlya izgotovleniya pryazhi ispol'zovali svezheprigotovlennye nanotrubki.

Ishodnyi material - nanotrubki - obrabatyvayut etanolom, kotoryi v dal'neishem sluzhit istochnikom ugleroda, zatem dobavlyayut katalizator (ferrocen) i eshe odin reagent - tiofen. Smes' zagruzhayut v goryachuyu pech', kuda postoyanno podayut vodorod. Produkt poluchayut v forme sputannyh volokon, po vidu pohozhih na saharnuyu vatu. Zatem eti volokna namatyvayut na vrashayushiesya sterzhni, v itoge poluchalis' skruchennye volokna.

Uchenye priznayut, chto sozdan lish' prototip novoi tehnologii. Da i prochnost' poluchennogo volokna poka ne vpechatlyaet - ona ne sil'no otlichaetsya ot prochnosti tradicionnyh volokon. Odnako uzhe vidny razlichnye puti uvelicheniya prochnosti, naprimer, za schet orientirovaniya uglerodnyh trubok v odnom napravlenii. Esli prochnost' udastsya povysit' v 10 raz, to eto znachenie priblizitsya k prochnosti uglerodnyh volokon, a samo proizvodstvo volokna pri etom mozhet okazat'sya bolee deshevym za schet ispol'zovaniya bolee deshevyh komponentov. Poka ne yasno, mozhno li etim sposobom sozdat' takoi kanat, kotoryi po prochnosti na razryv budet sopostavim s prochnost'yu samih nanotrubok. No esli eto udastsya sdelat', to kompaniya LiftPort poluchit shans na sokrashenie sroka postroiki lifta.



V 2000 godu doktor Bred Edvards vypustil otchet, v kotorom govorilos' chto predvaritel'nye issledovaniya po postroeniyu kosmicheskogo lifta prodelany. Dalee, Mishelem Leinom v Sietle byla osnovana kompaniya HighLift Systems, kotoroi NASA vydelila finansirovanie dlya razrabotki i postroiki kosmicheskogo lifta. Kak planiruet kompaniya LiftPort Inc., kosmicheskii lift budet postroen, oprobovan i zapushen v rabotu cherez 15 let. V pervye shest' let kompaniya budet privlekat' investicii, s shestogo goda po desyatyi razrabatyvat' konstrukciyu lifta, i, nakonec, v ostavshiesya goda budet prohodit' neposredstvenno postroika.

Zdes' mozhno naiti videorolik v formate Real Player, prezentuyushii odnu iz koncepcii kosmicheskogo lifta (5 Mb): http://wid.ap.org

Istochnik: NanoNewsNet.
29.06.2004

(Original'naya stat'ya nahoditsya na saite Izvestiya-Nauka.)