Открытие Идзимы
За несколько лет до того, как американцы объявили проблему космолифта неразрешимой, в 1991 году, японский физик Сумио Идзима синтезировал нанотрубки — сверхпрочные микроскопические нити, представляющие собой полые цилиндры из углерода. Это протяженные цилиндрические структуры диаметром несколько нанометров. В плоскости графитового слоя атомы углерода соединены в характерную шестиугольную решетку, которая обладает очень высокой прочностью. Нанотрубковая нитка диаметром всего-то в миллиметр теоретически может выдержать груз в 60 тонн. При этом многие ученые утверждают, что такой результат пределом не является.
После этого открытия в ученом мире, а особенно в когорте космических «лифтостроителей», случилась самая настоящая эйфория. Ученые моментально пришли к выводу, что изготовленная из нанотрубок лента не толще бумаги и шириной несколько миллиметров выдержит и собственный вес, и вес «кабины». Дело за малым — научиться правильно сплетать нанотрубки.
Были немедленно разработаны проекты, по которым выходило, что создание космического лифта дело хотя и трудное, но разрешимое. Если суммировать различные разработки, то общий знаменатель идей может быть таким. Почти все конструкции включают в себя основание (базу), трос (кабель), подъемники и противовес. Трос удерживается одним концом на поверхности планеты, а другим выше геостационарной орбиты в неподвижной точке над планетой за счет центробежной силы. По тросу поднимается подъемник, несущий груз. За пределами геостационарной орбиты движение груза будет ускоряться, что позволит отправлять его за границу планетарной орбиты.
Основание космолифта может быть подвижным — почему бы не использовать здесь океанское судно или плавучую платформу? Преимущество подвижного основания — в возможности совершать маневры для уклонения от ураганов и бурь. Преимущества стационарной базы — более дешевые и доступные источники энергии.
Стоимость создания лифта оценили в 7-12 млрд. долларов США. NASA уже финансирует соответствующие разработки американского Института научных исследований, включая разработку подъемника, способного самостоятельно двигаться по тросу.
Разумеется, миллиарды вкладываются не просто в красивую идею, похожую на фантастический роман. Космические державы готовы рискнуть немалыми деньгами ради одной заветной цели: максимально удешевить доставку грузов на орбиту. Пока что стоимость подъема одного килограмма груза на рабочую орбиту зашкаливает за 20 тыс. долларов. Апологеты будущих лифтовых систем поговаривают о каких-то нескольких сотнях долларов.
Но вот вопрос: насколько длинной может оказаться дистанция от ошеломляющих результатов японского ученого до реального космолифта, выполненного, как говорится, в металле? Вопрос далеко не праздный.
Позиция пессимистов
Как уже говорилось, трос должен быть изготовлен из материала с чрезвычайно высоким отношением растяжимости (предела прочности на разрыв) к плотности. Космический лифт будет экономически оправдан, если можно будет производить в промышленных масштабах за разумную цену трос плотности, сравнимой с графитом, и растяжимостью как минимум 65 гигапаскалей (ГПа). Чтобы понять, о чем идет речь, достаточно сказать, что растяжимость большинства видов стали — около 1 ГПа, и даже у прочнейших ее видов не более 5 ГПа.
Есть еще кевлар с его 2,6-4,1 ГПа. Есть кварцевое волокно — это уже 20 ГПа и выше. И вот появляются углеродные нанотрубки. Если верить расчетам, то теоретически их растяжимость может составить до 120 ГПа. Но пока только теоретически. Получение их в промышленных объемах еще не реально. Так же как и сплетение нанотрубок в кабель.
И еще. Расчеты расчетами, а практические испытания показали: полученные реальные образцы нанотрубок ломались в диапазоне 30-50 ГПа.
Приходится признать: пока стабильно прочная нить существует только в формулах и цифрах. Практическое же ее получение под большим вопросом. Во-первых, никак не удается «вырастить» трубки более-менее длинными. В лучшем случае дотягивают до нескольких миллиметров. Во-вторых, по-прежнему среди главных неразрешимых проблем здесь остаются дефекты кристаллической решетки, которые весьма серьезно влияют на прочность нанотрубок.
Некоторые ученые идут еще дальше. Даже если удастся получить бездефектный материал, говорят они, то сохранить его в условиях космического пространства, «простреливаемого» микрометеоритами и космическим мусором, нереально. А значит, нить может деформироваться или разорваться.
И еще один характерный пример. Не так давно NASA предложило 50 тысяч долларов за образец «нити», которая окажется хотя бы в полтора раза прочнее, чем имеющаяся в распоряжении агентства. Увы, награду никто не сумел завоевать. На конкурс был допущен всего лишь один коллектив специалистов. Так вот, их трос лопнул при нагрузке в 606 кг. Образец агентства порвать так и не удалось — эксперимент прекратили при нагрузке в 754 кг, потому что начали гнуться металлические элементы установки. Заметим, что «насовская» нить изготовлена не из нанотрубок, а из сверхплотного полиэтилена Dyneema.
Другая серьезная и пока что не решенная проблема создания космического лифта — источник энергии, который бы двигал подъемник. Даже дилетанту ясно, что подвести к ползущей по тросу платформе электропитание невозможно, и значит, ее придется питать на расстоянии. Хотя автор концепции космического лифта Юрий Арцутанов предлагал подводить электричество по вплетенным в канат металлическим полосам, сегодня очевидно, что эта идея усложняет конструкцию троса.
Как же быть? Возможно, это реально сделать с помощью лазеров, микроволновых лучей, направленных на специальные солнечные батареи. Есть и еще варианты. Например, использовать энергию торможения подъемников, движущихся вниз. Или, скажем, разницу в температурах тропосферы, ионосферный разряд и т.д. Все это прекрасно, но пока дальше теоретических рассуждений никто из ученых не продвинулся.
Более того, надо понимать, что передачей энергии заботы не заканчиваются. Ее-то ведь надо еще и принять. А значит, необходимы высокоэффективные фотоэлектрические преобразователи.
Но и это еще не все. Допустим, и трос необходимой прочности создали, и с энергоснабжением разобрались. Но как теперь эти многие и многие тонны конструкции перенести в космос на высоту орбиты 36 тысяч километров. Что здесь может пригодиться? Ракета-носитель? Грузоподъемность не та…
Что имеем в сухом остатке? Неужели придется признать, что создание космического лифта пока находится за пределами возможностей современных технологий? Вероятно, так. По крайней мере, до сих пор нет четкой уверенности в том, что со временем удастся разрешить все задачи, стоящие перед разработчиками.
Но может быть стоит посмотреть на идею космолифта с иного ракурса?

Русский вариант
В 1965 году в Центральном конструкторском бюро машиностроения (нынешняя РКК «Энергия») под руководством Сергея Павловича Королева началась активная подготовка к первому в мировой истории космическому эксперименту с тросовой системой. Суть проекта заключалась в создании искусственной силы тяжести на корабле «Союз», который бы соединялся стальным тросом с последней ступенью ракеты-носителя. Эта связка должна была вращаться. После смерти Королева проект был закрыт, и работы с тросовыми системами в РКК «Энергия» возобновились только в середине 80-х годов.
Мы, как всегда, пошли дальше планеты всей, и, по большому счету, космический лифт для российских ученых вчерашний день. Гораздо более перспективной, по словам Юрия Зайцева, видится разработка специалистов Института космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН). Здесь изучают возможность построения группировки орбитальных тросовых систем, позволяющей обеспечить циклическую доставку грузов с Земли на Луну.
За этим громким анонсом стоят серьезный мозговой штурм и весьма оригинальный проект: каждая система представляет собой связку из двух космических аппаратов, соединенных тросом. Связка вращается подобно гигантской праще, и ее центр масс движется по заданной орбите.
— Если в какой-то момент от одного космического аппарата связки отделить «груз», — рассуждает Юрий Зайцев, — то ему за счет высвобождения энергии вращения пращи сообщается поступательное движение, как и при работе реактивного двигателя.
Из чего в принципе может состоять транспортная система Земля — Луна — Земля? В Институте космических исследований полагают, что наиболее оптимальный вариант — это комплекс из трех тросовых систем. Две расположены на околоземных орбитах — низкой круговой и эллиптической, и еще одна — на орбите около Луны. Суть идеи заключается в том, что именно управляемое перемещение груза от одной тросовой системы к другой превращает их в единую транспортную артерию.
В ИКИ РАН утверждают, что такая тросовая транспортная система будет иметь массу в 28 раз меньшую, чем груз, который она будет способна доставить с Земли на Луну, в то время как традиционные ракетные методы потребуют только топлива в 16 раз больше, чем сам доставляемый груз. И это уже никакой не космический лифт, а нечто совсем другое.
Какая идея в результате окажется более приемлемой для человечества — покажет время. И ждать, надо думать, осталось недолго.
Владимир Попов