Космический лифт и проблема дешевого вывода на LEO

В США компания LiftPort Group провела испытания прототипа «космического лифта». Такое устройство предназначено для подъема грузов на космическую орбиту. Робот должен был подняться на высоту 1,6 км. Однако его испытания закончились неудачей, пишет газета "Взгляд".

В сентябре 2005 года проводился эксперимент, когда нить держал один шар, а дистанция составляла всего 400 м и была пройдена целиком.

Робот представляет собой автоматизированный подъемник с батарейками. Он должен взобраться в небо по нити из графитового волокна. Так называемое графитовое волокно получают при прокаливании полимерной ткани. Из него и сделали нить, которая представляет собой тонкий кабель шириной 5 см и толщиной не более, чем сложенные вместе шесть листов бумаги. Эта нить была «закреплена» в воздухе с помощью трех воздушных шаров. Робот смог подняться по ней только на 460 м.

Данное испытание – всего лишь один из промежуточных пунктов проекта. Компания LiftPort Group хочет построить космический лифт к апрелю 2018 года. Конечной целью является нечто фантастическое: на 62 тыс. миль или 99,779 тыс. километров будет протянута нить, на которой будут закреплены автоматизированные подъемные приспособления. Лифт будет работать на солнечной энергии и поднимать до 100 тонн груза в космос один раз в неделю. Таким образом можно будет переправлять как грузы, так и спутники и даже людей на космическую орбиту.

В LiftPort Group не считают, что эксперимент провалился полностью. Руководство компании уверяет, что в данном случае проверялось, можно ли сделать нить достаточно прочной. Майкл Лейн, глава компании, с гордостью констатировал, что «нить продержалась в воздухе 6 часов и была предельно крепка». Свое изобретение компания планирует продать. И уже наметила возможных покупателей: компании, занимающиеся наблюдением с воздуха и коммуникациями.

В марте LiftPort Group надеется провести новое испытание на станции исследования пустыни Марса в Юте. Эксперимент будет длиться три недели. Испытатели говорят, что заменят нить на волокно из нанотрубок. Еще позже предстоит испытывать нить длиною 2 мили, или 3,2 км.
LiftPort Group является частной компанией. Известно, что одновременно с ней космическим лифтом активно занимается NASA. В прошлом году агентство объявляло несколько конкурсов по созданию сверхпрочной нити и дистанционно подпитываемых роботов, однако приза в 50 тыс. долларов пока не добился никто. Свои проекты представили 10 групп ученых, 7 из которых занимались первой задачей и три – второй. Согласно выводам жюри, ни одно из волокон не оказалось прочнее образца, имеющегося у NASA, а роботов, которые взбирались по тросу за счет внешних излучателей, признали недостаточно быстрыми. В следующий раз испытания будут проводиться в августе 2006 года, приз – 150 тыс. долларов. Кстати, LiftPort Group в конкурсах не участвовала.



Космическому лифту нашли земное применение

Идея космического лифта - то есть конструкции, состоящей из чрезвычайно прочного троса переменной толщины, прикрепленного к спутнику на геостационарной орбите, и бегающих вдоль этого троса подъемников, - в двадцать первом веке получила словно бы второе дыхание. Появление новых материалов, разрабатываемых в ходе бурного развития нанотехнологий, и кризис, разразившийся в стане производителей более привычной нам ракетной космической техники, заставил NASA самым серьезным образом приглядываться к возможным альтернативам. Теперь есть надежда на то, что космический лифт станет реальностью уже в самые ближайшие десятилетия, и тогда доставка грузов и людей в космос резко удешевится, путешествия в космос будут доступны не одним лишь мультимиллионерам, но и всем желающим, ну а количество орбитальных станций станет исчисляться сотнями и тысячами.

Вообще же подобные проекты бродят в головах инженеров начиная с середины прошлого века. Часто сама идея связывается с известным романом Артура Кларка "Фонтаны рая" (1979), где речь идет о постройке такого сооружения, но сам Кларк признал приоритет ленинградского инженера Юрия Арцутанова, который 31 июля 1960 года в статье в "Комсомольской правде" ("В космос - на электровозе") описал "канатную дорогу", поднимающую грузы и людей на геостационарную орбиту. Космонавт и художник Алексей Леонов и художник-фантаст Андрей Соколов в своем альбоме космической живописи "Ждите нас звезды", изданном в 1967 году, изобразили космический лифт в действии (картина удивительно напоминает связку шаров, используемых ныне для экспериментов с прототипами космолифта). Утверждается даже, что впервые подобная идея была высказана Циолковским еще свыше 100 лет назад - в 1895 году ("Грезы о Земле и небе").

Для испытаний технологий, которые лягут в основу строительства будущих космических лифтов, ныне практикуются подъемы на высотных аэростатах платформ, от которых к земле протягивается прочный шнур (по нему должны взбираться экспериментальные "пауки", использующие электроэнергию, запасенную в аккумуляторах, либо передаваемою снизу с помощью мощных прожекторов). Казалось бы, сами по себе такие конструкции не имеют большого практического смысла, но вот теперь инженеры придумали, как можно пустить в дело и эти самые "промежуточные" технологии: аэростаты могут быть использованы в качестве высотных ретрансляционных станций для поддержки радиосвязи (в частности, речь идет о развертывании над обширными территориями сетей Wi-Fi), ну а роботы-"пауки", курсирующие по привязи, пригодятся для того, чтобы пополнять запасы гелия или водорода внутри несущих шаров.

Среди энтузиастов космического лифтостроения большую известность получила частная американская фирма LiftPort Group, пообещавшая отправить первого пассажира на лифте в космос уже к апрелю 2018 года. Штаб-квартира LiftPort базируется в городе Бремертон (штат Вашингтон). В январе 2006 года специалистам этой компании, использовавшим связку из трех воздушных шаров, удалось протянуть с аризонского полигона кабель (который состоял из графитового волокна) в небо на 1,6 километра. К сожалению, с "пауком", ползущим по этой нити, все прошло не столь удачно - он сумел преодолеть только первые 460 метров. К тому же время того январского теста ограничивалось всего лишь шестью часами.

А теперь вот в LiftPort завершились 60-дневные испытания, в которых фигурировала 100-метровая привязь, удерживающая сразу четыре воздушных шара, наполненных гелием. В ходе этого эксперимента изучались проблемы, которые могут возникнуть при эксплуатации подобных платформ (передающих сигналы Wi-Fi) в реальных условиях. Президент компании Майкл Лэйн (Michael Laine) уверен в том, что высотные платформы были бы просто незаменимы в том случае, если бы пришлось обеспечивать охват сетями Wi-Fi какие-нибудь равнинные сельские районы.

В целом эксперимент прошел без особых эксцессов, однако за 60 дней испытателям все же пришлось пережить несколько незапланированных столкновений с дикой природой. Так, свои кладки яиц на привязь успели отложить свыше дюжины колоний насекомых, а в первые несколько дней теста воздушные шары то и дело облетали любопытные летучие мыши, очевидно, привлеченные звуками, что издавал колеблющийся трос. Позднее на смену летучим мышам пришли ласточки - баллоны подвергались неоднократным "нападениям" с их стороны (возможно, птиц просто интересовала утренняя роса, скапливающаяся на поверхности воздушных шаров).

С запуском же по этому шнуру робота-"паука" возникли новые проблемы. Выяснилось, что под воздействием ветров на шнуре со временем образуются изгибы и деформации. И вот робот-альпинист нещадно "буксовал" среди этих морщин и утолщений и в конце концов сломался. "Мы сломали нашего робота, пытаясь выполнить это, - говорит Лэйн. - О подобном типе поломки мы бы никогда и не узнали, если б ограничивались лишь 6-часовыми испытаниями". Так что будущие проекты космолифта должны предусматривать присутствие датчиков, которые бы сообщили роботу о том, что ему грозят "ухабы".

LiftPort теперь сотрудничает с американскими университетами - Университетом штата Северная Каролина и Университетом имени филантропа Ратджерса в городе Нью-Брансуике, штат Нью-Джерси (North Carolina State University and Rutgers University) с тем, чтобы изготовить 5-километровую привязь. Несколько недель назад компания также впервые произвела на свет свои собственные волокна на основе углеродных нанотрубок - ведь именно углеродные нанотрубки (ввиду своей исключительной легкости и прочности) признаны теперь единственным материалом, способным обеспечить прямую дорогу в небеса.

Кроме "лифтпортовцев" над построением космического лифта работают многие другие исследовательские группы. 20 и 21 октября свыше 20 таких групп (заявки подали американские, канадские, немецкие и испанские фирмы) продемонстрируют свои разработки в ходе второго раунда конкурса, устроенного в пустыне штата Нью-Мексико под патронажем NASA (так называемые Beam Power and Tether Centennial Challenges - соревнования на лучший материал для космического троса и среди "пауков", взбирающихся по такому тросу за счет энергии, получаемой ими от прожектора с земли). Робот-победитель должен будет подняться на высоту 50 метров со скоростью порядка 1 метра в секунду или даже быстрее, ну а трос должен оказаться по крайней мере прочнее того, что уже имеется в распоряжении у NASA.

LiftPort в данных соревнованиях, как и в прошлом году, участвовать не будет, поскольку сам Лэйн входит в руководство основанного в Калифорнии фонда Spaceward Foundation, собственно и организующего эти конкурсы, в которых так заинтересовано американское космическое агентство.

Как мы помним, предыдущий этап данного конкурса, который был проведен в конце октября прошлого года в калифорнийском городе Маунтин-Вью (в нем приняли участие 11 команд разработчиков), оказался не слишком-то удачным. Согласно выводам жюри, ни один из представленных образцов материала не удовлетворял поставленным задачам, ну а самый упорный "паук" одолел лишь первые 12 метров. Весь призовой фонд составляет порядка 400 тысяч долларов, но раздаваться он будет "небольшими порциями". Нужно отметить, что денежный эквивалент приза на этот год увеличен до 200 тысяч долларов (то есть к нему добавились неистраченные в прошлом году 100 тысяч).

На иллюстрации:
Поднимаемые на аэростате платформы могли бы работать в качестве высотных точек доступа Wi-Fi. Роботы-альпинисты тогда пригодятся для доставки новых резервуаров с гелием для воздушных шаров. Фото LiftPort Group с сайта New Scientist

Космический лифт — Википедия
В 2009 году команда LaserMotive из Сиэтла предложила в роботе использовать солнечные ячейки для поглощения энергии, испускаемой инфракрасным лазером с поверхности Земли. В результате, команда LaserMotive на военной базе Edwards Air Force Base смогла продемонстрировать работающий образец робота, который получал питание от инфракрасного лазера и смог подняться по кабелю, свисавшему с борта вертолета в воздухе, на высоту 900 метров всего за 4 минуты, таким образом, он развивал скорость 3,7 м/с. На следующий день в ходе такого же эксперимента удалось повысить скорость перемещения робота до 3,9 м/с. Следует отметить, что две другие конкурирующие команды в финальных попытках подъема собственных роботов, основанных на сходной технологии, потерпели неудачу. В результате победила команда LaserMotive, за что и получила "второй" приз в размере $900 тыс. Для получения "первого" приза было необходимо развить скорость 5 м/с.[4]

Общий призовой фонд соревнований Space Elevator Games в 2009 году составлял 4 миллиона долларов.

В конкурсе на прочность троса участникам необходимо предоставить двухметровое кольцо из сверхпрочного материала массой не более 2 грамм, которое специальная установка проверяет на разрыв. Для победы в конкурсе прочность троса должна минимум на 50 % превосходить по этому показателю образец, уже имеющийся в распоряжении у NASA. Пока лучший результат принадлежит тросу, выдержавшему нагрузку вплоть до 0,72 тонны.

В этих соревнованиях не принимает участие компания Liftport Group, получившая известность благодаря своим заявлениям запустить космический лифт в 2018 году (позднее этот срок был перенесён на 2031 год). Liftport проводит собственные эксперименты, так в 2006 году роботизированный подъёмник взбирался по прочному канату, натянутому с помощью воздушных шаров. Из полутора километров подъёмнику удалось пройти путь лишь в 460 метров. Следующим этапом компания планирует провести испытания на тросе высотой 3 км.

Попытки гальванизации трупа продолжаются.

Первым, кто серьезно подумал над тем, как преодолеть тяготение планеты с помощью «подтягивания», был один из разработчиков реактивных аппаратов Феликс Цандер. В отличие от фантазера и выдумщика барона Мюнхгаузена, Цандер предложил научно обоснованный вариант космического лифта для Луны. На пути между Луной и Землей есть точка, в которой силы притяжения этих тел уравновешивают друг друга.

 

Цандер. Феликс Цандер, ага.
Уровень, блин

Хотя проблески здравого смысла встречаются.

Вторая и тоже серьезная задача на пути строительства космического лифта состоит в разработке двигателя для лифта и системы его энергетического обеспечения. Ведь кабина должна подняться на 40 000 км без дозаправки до самого конца подъема! Как этого добиться — никто еще не придумал.
Неустойчивое равновесие

Но самая большая, даже непреодолимая, трудность для лифта на геостационарный спутник связана с законами небесной механики. ГСС находится на своей замечательной орбите только благодаря равновесию силы притяжения и центробежной силы. Любое нарушение этого равновесия приводит к тому, что спутник меняет свою орбиту и уходит со своей «точки стояния». Даже небольшие неоднородности гравитационного поля Земли, приливные силы Солнца и Луны и давление солнечного света приводят к тому, что находящиеся на геостационарной орбите спутники постоянно дрейфуют. Нет ни малейших сомнений, что под тяжестью лифтовой системы спутник не сможет оставаться на геостационарной орбите и упадет. Существует, однако, иллюзия, что можно продолжить трос далеко за геостационарную орбиту и на его дальнем конце разместить массивный противовес. На первый взгляд, центробежная сила, действующая на привязанный противовес, натянет трос так, что дополнительная нагрузка от движущейся по нему кабины не сможет изменить положения противовеса, и лифт останется в рабочем положении. Это было бы верно, если бы вместо гибкого троса использовался жесткий несгибаемый стержень: тогда бы энергия вращения Земли передавалась через стержень на кабину, и ее перемещение не приводило бы к появлению боковой, не компенсируемой натяжением троса силы. А эта сила неизбежно нарушит динамическую устойчивость околоземного лифта, и он рухнет!