Косми́ческий лифт — концепция гипотетического инженерного сооружения для безракетного запуска грузов в космос. Конструкция основана на применении троса, протянутого от поверхности планеты к орбитальной станции, находящейся на геостационарной орбите. Впервые подобную мысль высказал Константин Циолковский в 1895 годуКосмический лифт и нанотехнологии // galspace.spb.ru, детальную разработку идея получила в трудах Юрия Арцутанова.

Трос удерживается одним концом на поверхности планеты (Земли), а другим — в неподвижной относительно планеты точке выше геостационарной орбиты (ГСО). По тросу поднимается подъёмник, несущий полезный груз.

От троса требуется чрезвычайно большая прочность на разрыв в сочетании с низкой плотностью. Углеродные нанотрубки по теоретическим расчётам представляются подходящим материалом. Если допустить пригодность их для изготовления троса, то создание космического лифта является решаемой инженерной задачей, хотя и требует использования передовых разработок и больших затрат иного рода. НАСА уже финансирует соответствующие разработки американского Института научных исследований, включая разработку подъёмника, способного самостоятельно двигаться по тросуОрбиты космического лифта // «Российский космос», № 11, 2008.. Предположительно, такой способ в перспективе может быть на порядки дешевле использования ракет-носителей.

Конструкция

Есть несколько вариантов конструкции. Почти все они включают основание (базу), трос (кабель), подъёмники и противовес.

Основание Основание космического лифта — это место на поверхности планеты, где прикреплён трос и начинается подъём груза. Оно может быть подвижным, размещённым на океанском судне. Преимущество подвижного основания — возможность совершения манёвров для уклонения от ураганов и бурь. Преимущества стационарной базы — более дешёвые и доступные источники энергии, и возможность уменьшить длину троса. Разница в несколько километров троса сравнительно невелика, но может помочь уменьшить требуемую толщину его средней части и длину части, выходящей за геостационарную орбиту. Дополнительно к основанию может быть размещена площадка на стратостатах для уменьшения веса нижней части троса с возможностью изменения высоты для избежания наиболее бурных потоков воздуха, а также гашения излишних колебаний по всей длине троса.

Трос

Силы в тросе Прежде чем искать материал определим силу в каждой точке троса. 1 — сила тяготения, убывающая с расстоянием от Земли. 2 — центробежная сила вращения. 3 — сила Кориолиса, 4 — ветра, давление воздушных масс. 5 — сила натяжения двигателями в космосе. Трос должен быть изготовлен из материала с чрезвычайно высоким отношением предела прочности к удельной плотности. Космический лифт будет экономически оправдан, если можно будет производить в промышленных масштабах за разумную цену трос плотности, сравнимой с графитом, и прочностью около 65—120 гигапаскалей. Для сравнения, прочность большинства видов стали — около 1 ГПа, и даже у прочнейших её видов — не более 5 ГПа, причём сталь тяжела. У гораздо более лёгкого кевлара прочность в пределах 2,6—4,1 ГПа, а у кварцевого волокна — до 20 ГПа и выше. Теоретическая прочность алмазных волокон может быть немного выше.

Углеродные нанотрубки должны, согласно теории, иметь прочность на растяжение гораздо выше, чем требуется для космического лифта. Однако технология их получения в промышленных количествах и сплетения их в кабель только начинает разрабатываться. Теоретически их прочность должна быть более 120 ГПа, но на практике самая высокая прочность на растяжение однослойной нанотрубки была 52 ГПа, а в среднем они ломались в диапазоне 30—50 ГПа. Самая прочная нить, сплетённая из нанотрубок, будет менее прочной, чем её компоненты. Исследования по улучшению чистоты материала трубок и по созданию разных их видов продолжаются.

В эксперименте учёных из университета Южной Калифорнии (США) однослойные углеродные нанотрубки продемонстрировали удельную прочность, в 117 раз превышающую показатели стали и в 30 — кевлар. Удалось выйти на показатель в 98,9 ГПа, максимальное значение длины нанотрубки составило 195 мкм. Эксперименты учёных из Технологического университета Сиднея позволили создать графеновую бумагу. Испытания образцов показали, что плотность материала в пять-шесть раз ниже, чем у стали, при этом прочность на разрыв в десять раз выше, чем у углеродистой стали. При этом графен является хорошим проводником электрического тока, что позволяет использовать его для передачи мощности подъёмнику в качестве контактной шины. В июне 2013 года инженеры из Колумбийского университета США сообщили о новом прорыве: благодаря новой технологии получения графена удаётся получать листы с размером по диагонали в несколько десятков сантиметров и прочностью лишь на 10 % меньше теоретической.

Технология плетения таких волокон ещё только зарождается. По заявлениям некоторых учёных, даже углеродные нанотрубки никогда не будут достаточно прочны для изготовления троса космического лифта.

Утолщение троса

Космический лифт должен выдерживать по крайней мере свой вес, весьма немалый из-за длины троса. Утолщение, с одной стороны, повышает прочность троса, с другой — прибавляет его вес, а, следовательно, и требуемую прочность. Нагрузка на него будет различаться в разных местах: в одних случаях участок троса должен выдерживать вес сегментов, находящихся ниже, в других — выдерживать центробежную силу, удерживающую верхние части троса на орбите. Для удовлетворения этому условию и для достижения оптимальности троса в каждой его точке толщина его будет непостоянной.

Можно показать, что с учётом гравитации Земли и центробежной силы (но не учитывая меньшее влияние Луны и Солнца) сечение троса в зависимости от высоты будет описываться следующей формулой:

Здесь  — площадь сечения троса как функция расстояния от центра Земли.

В формуле используются следующие константы:

 — площадь сечения троса на уровне поверхности Земли.  — плотность материала троса.  — предел прочности материала троса.  — круговая частота вращения Земли вокруг своей оси, 7,292 радиан в секунду.  — расстояние между центром Земли и основанием троса. Оно приблизительно равно радиусу Земли — 6378 км.  — ускорение свободного падения у основания троса, 9,780 м/с².

Это уравнение описывает трос, толщина которого сначала экспоненциально увеличивается, потом её рост замедляется на высоте нескольких земных радиусов, а потом она становится постоянной, достигнув в конце концов геостационарной орбиты. После этого толщина снова начинает уменьшаться.

Таким образом, отношение площадей сечений троса у основания и на ГСО (r = 42 164 км) есть:

Подставив сюда плотность и прочность для различных материалов и разного диаметра троса на уровне Земли, получим таблицу диаметров троса на уровне ГСО. Расчёт вёлся из условия, что лифт будет стоять «сам по себе», без нагрузки — поскольку материал троса уже испытывает растяжение от собственного веса (причём эти нагрузки близки к максимально допустимым для данного материала).

+ Сечение троса на ГСО, в зависимости от его сечения на уровне Земли, для различных материалов (рассчитана по последней формуле), м2 Материал Плотность , кг/м³ Предел прочности , ×109 Па Сечение троса на уровне Земли 1 м2 0,1 м2 0,01 м2 1000 мм2 Сталь Ст3 горячекатаная 7760 0,37 1,31·10440 1,31·10439 1,31·10438 1,31·10437 Сталь высоколегированная 30ХГСА 7780 1,4 4,14·10116 4,14·10115 4,14·10114 4,14·10113 Паутина 1000 2,5 248·106 24,8·106 2,48·106 0,248·106 Углеволокно 1900 4 9269·106 926,9·106 92,69·106 9,269·106 Углеродные нанотрубки 1900 90 2,773 2,773·10−1 2,773·10−2 2,773·10−3

Из таблицы следует, что построить лифт из современных конструкционных сталей нереально. Единственный выход — искать материалы с более низкой плотностью и очень высокой прочностью.

Например, в таблицу включена паутина (паучий шёлк). Существуют различные экзотические проекты по добыче паутины на «паучьих фермах». В 2016 году появились сообщения, что с помощью генной инженерии удалось внедрить в организм козы ген паука, кодирующий белок паутины. Теперь молоко генномодифицированной козы содержит паучий белок. Можно ли получить из этого белка материал, напоминающий паутину по своим свойствам, пока неизвестно, хотя такие разработки ведутся

Ещё одно перспективное направление — углеволокно и углеродные нанотрубки. Углеволокно успешно применяется в промышленности уже сегодня. Нанотрубки обладают примерно в 20 раз большей прочностью, но технология получения этого материала пока не вышла из лабораторий. Таблица строилась из предположения, что плотность троса из нанотрубок такая же, как из углеволокна.

Ниже перечислены ещё несколько экзотических способов построения космического лифта: Поднять повыше основание троса. Из-за наличия экспоненты в уравнении даже небольшое поднятие основания позволит сильно понизить толщину троса. Предлагаются башни высотой до 100 км , которые, кроме экономии на тросе, позволят избежать влияния атмосферных процессов. Сделать основание лифта подвижным. Движение даже со скоростью 100 м/с уже даст выигрыш в круговой скорости на 20 % и сократит длину кабеля на 20—25 %, что облегчит его на 50 и более процентов. Вместо троса использовать условные силовые линии магнитного поля Земли Магнитный «Космический лифт». Использовать секции с воздушными шарами с интервалом несколько километров для разгрузки троса. Понадобится дополнительная система поддержания давления газа в шарах, однако, такой подход позволит существенно снизить требования к плотности материала троса. Ещё один недостаток такого подхода — небольшая максимальная высота, при которой шары могут обеспечивать подъёмную силу. Максимальная зарегистрированная высота полёта стратостата составляет 41,4 км.

Противовес

Противовес может быть создан двумя способами — путём привязки тяжёлого объекта (например, астероида, космического поселения или космического дока) за геостационарной орбитой или продолжения самого троса на значительное расстояние за геостационарную орбиту. Второй вариант интересен тем, что с конца удлинённого троса проще запускать грузы на другие планеты, поскольку он обладает значительной скоростью относительно Земли.

Угловой момент, скорость и наклон

Горизонтальная скорость каждого участка троса растёт с высотой пропорционально расстоянию до центра Земли, достигая на геостационарной орбите первой космической скорости. Поэтому при подъёме груза ему нужно получить дополнительный угловой момент (горизонтальную скорость).

Угловой момент приобретается за счёт вращения Земли. Сначала подъёмник движется чуть медленнее троса (эффект Кориолиса), тем самым «замедляя» трос и слегка отклоняя его к западу. При скорости подъёма 200 км/ч трос будет наклоняться на 1°. Горизонтальная компонента натяжения в невертикальном тросе тянет груз в сторону, ускоряя его в восточном направлении — за счёт этого лифт приобретает дополнительную скорость. По третьему закону Ньютона трос замедляет Землю на небольшую величину, и противовес — на существенно большую величину, в результате замедления вращения противовеса трос начнёт наматываться на Землю.

В то же время влияние центробежной силы заставляет трос вернуться в энергетически выгодное вертикальное положение, так что он будет находиться в состоянии устойчивого равновесия. Если центр тяжести лифта будет всегда выше геостационарной орбиты независимо от скорости подъёмников, он не упадёт.