Андрей Ваганов
Космический лифт, тросы которого сплетены из нанотрубок, должен облегчить колонизацию космоса человеком.
Фото NanoNews.com
Эту идею высказал еще в 1895 году наш соотечественник Константин Циолковский – создать гигантский подъемник для перемещения людей и грузов в открытый космос. Поначалу ученые и инженеры отнеслись к этому проекту как к шутке. Затем эту идею «приватизировали» писатели-фантасты: например, в нескольких романах знаменитого фантаста Артура Кларка фигурирует это устройство – космический лифт.
Скепсис научно-технических работников был легко объясним: любой трос длиной километров в триста-пятьсот неминуемо разорвался бы под собственной тяжестью. Во времена Циолковского самым прочным материалом была сталь. Чуть позже, в 30-х годах прошлого века, был создан синтетический легкий и прочный материал – капрон. Но даже если бы космический лифт изготавливался из самых легких и прочных на тот момент материалов, скажем, из капрона или нейлона, тросы такого лифта неминуемо разорвались бы.
Но не зря говорят, что развитие технологий остановить невозможно. После того как в 1991 году японец Сумио Идзима открыл углеродные нанотрубки, многие эксперты стали утверждать, что человечество уже обладает всеми необходимыми материалами, чтобы реализовать идею космического лифта.
Нанотрубка – это пустотелый цилиндр, состоящий из атомов углерода. (Фактически это как бы одна гигантская молекула углерода.) Диаметр цилиндра – около 30 нанометров, что в 5000 раз меньше толщины волоса. Однако при этом канаты, сплетенные из нанотрубок, обладают феноменальной прочностью: они прочнее стали в 100 раз. Это примерно в 3–5 раз большая прочность, чем требуется для постройки лифта.
По расчетам ученых, представленным на Второй ежегодной конференции по космическим лифтам (Second Annual Space Elevator Conference) в городе Санта-Фе (США) осенью прошлого года, несмотря на кажущуюся хрупкость, трос, состоящий из нанотрубок, способен поднимать груз в 13 тонн на высоту 100 тыс. километров! При этом вес километра троса, сплетенного из нанотрубок, составит всего 7,5 кг.
О серьезности проекта говорит хотя бы то, что спонсорами конференции стали Национальная лаборатория в Лос-Аламосе и Институт научных исследований. Национальное агентство космонавтики и аэронавтики (NASA) уже выделило грант директору ISR по науке д-ру Брэдли Эдвардсу на исследование возможности конструирования и постройки космического лифта.
Как может выглядеть это удивительное транспортное средство?
Принцип его работы выглядит следующим образом: один конец троса из нанотрубок крепится на плавучей платформе, а второй – к орбитальной космической станции, которая находится на геостационарной орбите. Математическое моделирование показало, что в одном из вариантов конструкции трос космического лифта разорвется при скорости ветра 72 м/с, то есть при 5-бальном урагане. Именно поэтому океанскую платформу предлагается разместить на экваторе – там наиболее спокойные районы океана, вне зоны сильных ветров и ураганов. К тому же на экваторе меньшее значение имеет сила притяжения Земли.
Между двумя концами троса перемещается подвижная платформа (капсула) с электромотором и поднимает в космос целые спутники и детали будущих космических станций.
По оценкам специалистов, космический лифт, который сможет каждый день поднимать на низкую околоземную орбиту 5 тонн грузов, может быть создан уже через 15 лет. Стоимость доставки с помощью такого лифта 1 кг груза на околоземную орбиту составит 200 долларов (сейчас это 20–80 тыс. долларов за килограмм). И вот совсем недавно поступило сообщение: по расчетам, на строительство первого космического лифта уйдет 10 миллиардов долларов. NASA и американский Конгресс уже выделили на эти цели более трех миллионов.
Конечно, конструкторам предстоит еще решить очень много научных и инженерных задач. Самая главная из них – научиться плести сверхдлинные канаты из нановолокна. Дело в том, что на сегодня самые длинные нанотрубки, которые удалось изготовить, имеют длину всего в несколько сантиметров.
А ведь речь идет о канате длиной в 100 000 километров. Впрочем, нет необходимости делать весь трос длиной 100 000 км из цельных нанотрубок. Отдельные фракции, состоящие из нанотрубок длиной до двух сантиметров, будут иметь такую же прочность разрыва, как и длинные. Исследователям надо только создать технологию соединения этих фракций в более длинные волокна без потери прочности.
Сейчас над этим работают специалисты во многих странах. Так, ученые из Кембриджского университета в Англии разработали способ формирования пряжи из длинных волокон, которые состоят из нанотрубок – одного из наиболее прочных материалов. Исходный материал (нанотрубки) обрабатывают этанолом, который в дальнейшем служит источником углерода. Затем добавляют катализатор и еще несколько реагентов. Смесь загружают в печь, куда постоянно подают водород. Продукт получают в форме спутанных волокон, по виду похожих на сахарную вату. Затем эти волокна наматывают на вращающиеся стержни, в итоге получаются скрученные волокна.
Другим путем пошли ученые из Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева и Института кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН. Как сообщает агентство InformNauka.ru, они решили создать установку для непрерывного производства нановолокна, сердце которой – трубчатый реактор. В него загружают катализатор, который перемещается по реактору благодаря генератору вибраций. Реактор нагревали до 600 градусов, а навстречу ему подавали метан. Частицы продукта размером от 1 до 10 мм имели округлую форму. По сути, это были клубки чистейшего нановолокона. Так что вполне возможно, что совсем скоро наноматериалы перестанут быть экзотикой.
В итоге если удастся сделать канат из нановолокон, который по прочности на разрыв будет сопоставим с прочностью самих нанотрубок, то можно будет вплотную приступать к строительству космического лифта. Перспективы здесь – дух захватывает!
С помощью этого лифта можно будет построить в космосе стартовую площадку для космических аппаратов, отправляющихся к Луне, Марсу, Венере и астероидам. Стоимость таких запусков будет намного дешевле, чем сейчас при использовании ракет. Но и это еще не все. Космические лифты смогут сами себя достраивать все дальше и дальше в открытый космос. А вот самарские ученые предлагают использовать космический лифт для спуска на Марс. Сейчас в Самарском государственном аэрокосмическом университете ведутся проектные работы по созданию грузового космического лифта.
Речь идет о спускаемом аппарате, который будет прикреплен к орбитальному модулю при помощи специального троса длиной в 30 километров. Ученые полагают, что трос будет удерживать капсулу только в верхних слоях атмосферы – потом он сгорит, а модуль приземлится на парашюте. Проект разрабатывается по заданию Европейского космического агентства (ESA).
Правда, по словам профессора Самарского государственного аэрокосмического университета Игоря Белоконова, капсула с полезным грузом спускается с космической станции на суперлегком тросе не из нанотрубок, а из полиэтиленового волокна – дайнима. Этот материал не только легок, но и очень прочен: 30-километровый трос при собственном весе в 5 кг способен выдержать груз в несколько сотен килограммов.
Как бы там ни было, похоже, не за горами то время, когда в справочниках и энциклопедиях появится название новой специальности – космический лифтер.
