Как построить космический лифт?

Проведенное моделирование предполагает, что сдвиг в подходе ученых к проблеме делает создание массивной мегаструктуры более реальным

3
Представление художника о космическом лифте., Показан противовес и ниже капсула приближающаяся к его вершине. ХРИСТИАНСКАЯ ДАРЬКОВСКАЯ / НАУКА ФОТО БИБЛИОТЕКА / GETTY IMAGES

Что такое космический лифт

Идея космического лифта уже давно захватила сознание научных фантастов и стала предметом реальных технико-экономических исследований, проведенных НАСА и другими агентствами. Среди космических инженеров есть мнение, что это весьма привлекательная идея. Но огромные сложности, связанные с созданием космического лифта, недоступны с технологиями и материалами настоящего времени.

Однако двое исследователей — математик и инженер-механик из Университета Джона Хопкинса, находящегося в США, предполагают, что создание лифта в ближайшем будущем вполне возможно. Если его создатели будут использовать знания из биологии. И если они смогут построить для проекта автономные ремонтные боты.

В статье, размещенной на предпечатной странице Arxiv (и, таким образом, ожидающей экспертной оценки) Дэн Попеску и Шон Сун моделируют космический лифт. Они основывали свои расчеты на соотношении максимального напряжения и максимальной прочности на разрыв, обнаруженных в биологических структурах, таких как связки и сухожилия. Эти значения значительно выше, чем отношение напряжения к силе, используемое в технике. При таких значениях прочность материалов, используемых для поглощения силы, всего лишь вдвое больше разрушающей способности самой силы.

По словам авторов, такое соотношение отлично подходит для обычных проектов в области гражданского строительства. Но в случае создания мегаструктур такие характеристики слишком слабы. И неспособны позволить адекватно контролировать вероятность отказа.

Задумка космического лифта

Смысл космического лифта заключается в том, чтобы обеспечить способ, с помощью которого люди и грузы могли подниматься за пределы земной атмосферы без использования ракет. Эта идея была впервые предложена еще в 1895 году. Автором ее является российский ученый Константин Циолковский.

С тех пор идея была усовершенствована, но базовая задумка не изменилась. Лифт состоит из одного троса, закрепленного в неподвижной точке земного шара (обычно на экваторе). Он простирается вверх за пределы геостационарной орбиты — на высоту около 35 786 километров.

На верхнем конце троса находится противовес. Конкурирующие силы — сила тяжести и направленная от Земли центробежная сила служат для того, чтобы держать трос натянутым. Это обеспечивает линию, по которой каюты или грузовые контейнеры могут быстро перемещаться вверх и вниз.

Основная проблема заключается в том, что нагрузка, прилагаемая к этому массивному длинному тросу, будет настолько огромной, что в настоящее время не существует материала, который мог бы ее выдержать.

Существующие проекты космического лифта

За последние несколько десятилетий было предлагалось несколько масштабных конкурсов и проектов для решения этой проблемы. Но ни один из них до сих пор не преуспел. Недавно, в 2014 году, компания Google работала над подобным проектом. Но отложила эту идею после того, как обнаружилось что никто не смог построить сверхпрочный углеродный нанотрос размерами более, чем метр.

(Углеродные нанотрубки — большая надежда инженеров-космических лифтов, но эта надежда может быть не оправдана. В исследовании 2006 года проводилось интересное моделирование. По результатам его выяснилось, что при длине тросов, изготовленных на нанотрубках, в 100 000 километров, неизбежно будут иметься дефекты. Их будет достаточно для того, чтобы уменьшить его общую прочность примерно на 70%).

Новый подход

Попеску и Сун в своей новой статье предлагают другой подход. Углеродные нанотрубки теоретически и являются естественным выбором для троса космического лифта, говорят они. Но тот факт, что в настоящее время они не могут быть сделаны дольше нескольких сантиметров, делает их неприменимыми. Однако, как они отмечают, хоть некоторые композиты, в которых углеродные нанотрубки легированы другими материалами, они все еще слабее чем нужно. Но «мы быстро приближаемся к диапазонам прочности материала, необходимым для создания стабильных мегаструктур с механизмами самовосстановления».

Механизмы самовосстановления имеют решающее значение. Исследователи предлагают создать трос, который разделен на два направления. Вверх, представляющий ряд сложенных сегментов, и в бок как ряд параллельных нитей. Когда какая-либо нить изнашивается, как и должно происходить со временем, воздействие на этот сегмент ограничивается. И нагрузка немедленно распределяется между соседями. Такое положение сохраняется до тех пор, пока ремонтные боты не войдут и не заменит его.

Имея «автономный механизм ремонта», пишут исследователи, можно обеспечить надежность кабеля при высоких уровнях нагрузки. А также построить лифт с использованием более слабых материалов. Это еще более приблизит реальную возможность его создания.

В основе моделирования, произведенного Попеску и Сун лег переход от инженерных стандартов к тем, которые обычно встречаются в биологии. Авторы работы отмечают, что сухожилия и связки человека могут выдерживать огромные нагрузки. Они очень близки к их пределам прочности на растяжение. И они намного большие, чем используемые инженерами материалы.

Технологии и воображение

Главной причиной этого, конечно же, является то, что сухожилия и связки обладают способностью к саморемонту. А именно это качество, в частности, отсутствует в стальных балках. По мнению исследователей, добавление этой возможности в конструкцию космического лифта означает, что больше не будет необходимости ждать, пока технологии смогут догнать наше воображение.

«Мы предлагаем дизайн мегаструктуры, который не только позволить ее составным частям выходить из строя. Но и будет обладать механизмом самовосстановления для замены сломанных компонентов», — пишут они.

«Это позволит структурам работать при значительно более высоких нагрузках, не ставя под угрозу их целостность, что, в свою очередь, сделает реальностью мегаструктуры, созданные из существующих материалов».

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

3 Комментарии
  1. Анатолий Колпаков пишет

    Только с помощью безопорных движителей может быть сооружён космический лифт и не высотой 36000 км, а гораздо ниже достаточно 240 км, с возможностью выполнения той же его функции — возможностью запуска спутников без применения ракет.
    Анатолий Колпаков

  2. Анатолий Колпаков пишет

    В статье «Как построить космический лифт» почему-то не использована технология гарантирующая постройку этого сооружения реально доступным способом. Настоятельно рекомендую ознакомиться с моей статьёй «Космический лифт без проблем» опубликованной на сайте «ЖИВОЙ КОСМОС», для открытия которого надо нажать на кнопку «Это интересно».

  3. Анатолий Колпаков пишет

    «Космический лифт без проблем» – статья о сверхэкономичном лифте. Впервые в мире решены все проблемы такого лифта. Все остальные статьи о космическом лифте в Интернете – пустая болтовня о том, что было бы, если бы удалось соорудить космический лифт. Но не дано решение хотя бы одной мало-мальски важной проблемы. А, между тем, все проблемы мной уже в полном объёме не только решены, но и указано КАК! Чтобы узнать: КАК? Достаточно прочитать статью «Космический лифт без проблем». Путешествие на таком лифте на небо и отправка искусственных спутников в космос впервые в мире могут осуществляться совершенно БЕСПЛАТНО. Мной сделано даже более того что ожидалось и что требовалось. А ожидалось: 1 – создание технологий позволяющих строить космический лифт без не разрешимых проблем; 2 – достижение цены доставки грузов и пассажиров из расчёта около 200 у.е. за кг. Однако достигнуто гораздо большее: 1 – все проблемы решены не ожидаемыми способами – гораздо проще; 2 – цена равная нулю у.е. за кг поднимаемого груза. Всё это достигнуто только лишь благодаря сделанным мной научным открытиям. Таким образом, в решении проблем создания и сооружения космического лифта доказано, что научные достижения оказались намного важнее любой суммы денег.

Комментировать

Войти с помощью: 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: