Башни, канаты и пауки

Идея создания лифта, на котором можно добираться до космического пространства, возникла еще до того, как люди действительно туда попали. Первый проект такого средства передвижения был создан русским ученым, основоположником космонавтики Константином Циолковским в 1895 году. Космический лифт Циолковского напоминал построенную вскоре после этого в Париже Эйфелеву башню, только был в сто тысяч раз выше.

Верхушка такой башни двигалась бы со скоростью 11 километров в секунду - такая скорость получила название второй космической. Именно с такой скоростью летят запущенные с Земли на другие планеты аппараты. А значит, их можно было бы запускать прямо с вершины башни.

Идея Циолковского при всей своей заманчивости была абсолютно нереализуема: даже сделанный из самой прочной стали лифт не смог бы выдержать собственный вес. Второе рождение космический лифт получил в 1960 году, теперь уже не в России, а в Советском Союзе. В интервью газете "Комсомольская правда" ленинградский инженер Юрий Арцутанов изложил новую концепцию "пуповины", связывающей Землю и небо.

Арцутанов отказался от громоздких и тяжелых конструкций. По его замыслу, лифт должен был состоять из тонкой нити, один конец которой закреплен на поверхности нашей планеты, а к другому привязан противовес на орбите. В натянутом состоянии нить будет поддерживать центробежная сила: на высоте около 35 тысяч километров она компенсирует силу притяжения Земли, и противовес неподвижно зависнет над одной точкой. Благодаря этому же закону на орбитах удерживаются спутники.

Сборка нити будет осуществляться поэтапно. Сначала спутник, находящийся на геостационарной орбите, выпустит первую нить "тоньше человеческого волоса". Свободный конец нити нужно закрепить на "первом этаже" - на Земле. Чтобы превратить эту тоненькую затравку в полноценный трос, на нить необходимо выпустить специальных роботов-пауков. Двигаясь по нити, они будут навивать на нее дополнительные слои материала.

"Комсомольская правда" не является признанным научным изданием. Кроме того, газета выходит только на русском языке. Эти два обстоятельства не позволили идее Арцутанова получить широкую известность. Международное научное сообщество всерьез задумалось о лифте, ведущем в космос, в 1966 году, когда посвященная этому проекту статья вышла в журнале Science. Помимо обоснования нитевой конструкции лифта, авторы предложили возможные материалы, из которых можно эту нить "спрясть". В числе прочих упоминались графит, кварц и алмаз.

Далекая от науки, но интересующаяся научной фантастикой публика узнала о космическом лифте и об инженере Арцутанове в 1979 году, когда вышел роман британского ученого и писателя-фантаста Артура Кларка "Фонтаны рая". В предисловии к роману Кларк признавался, что и сам пытался рассчитать параметры лифта на почтовом конверте в 1964 году, но отбросил эту идею как бесперспективную. Позже писатель сокрушался, что у него под рукой не оказалось конверта побольше.

Помимо ведущей в космос нити, и Кларк, и Арцутанов, и авторы статьи в Science раздумывали над собственно кабиной лифта. Для того чтобы поднять ее на высоту 35 тысяч километров над Землей, предлагалось, например, использовать энергию Солнца, лазеров, микроволновых лучей. Спуск кабины тоже является непростой задачей: если просто отпустить ее вниз, она сгорит от трения об атмосферу, не пройдя и половины пути.

Инженеры и ученые вяло предлагали различные варианты преодоления этих трудностей, но занимались этим, скорее, из академического интереса. До 1991 года у конструкторов лифта не было идей, из чего сделать основную деталь - трос. Без троса все остальные расчеты были просто упражнениями в прикладной математике.

Чтобы выдерживать нагрузки по регулярному подъему и спуску космических грузов, прочность троса должна лежать в пределах от 65 до 120 гигапаскалей. Этот параметр для большинства видов стали (которые, к тому же, очень тяжелые) не превосходит 5 гигапаскалей, для кевлара - 2,5-4 гигапаскалей, у кварцевого волокна чуть превосходит 20 гигапаскалей.

В 1991 году были изобретены нанотрубки - полые цилиндры, стенки которых выполнены из одного слоя атомов углерода. Быстро выяснилось, что нанотрубки могут применяться практически везде, в том числе и в космическом лифтостроении. Теоретически, трос, построенный из нанотрубок, может быть в 3-5 раз прочнее, чем требуется для надежной работы.

Поправки на реальность

С появлением технологий, обещающих воплотить мечту в реальность, разработка различных моделей космических лифтов активизировалось. Например, этим проектом уже несколько лет занимаются в Институте передовых концепций NASA (Institute for Advanced Concepts - NIAC). С 2005 года Американское космическое агентство поддерживает проведение соревнований "Космический лифт". Участники должны представить жюри проекты лифтов в миниатюре.

Условия конкурса год от года становились все более суровыми. В 2006 году требовалось показать судьям конструкцию, состоящую из 60-метрового троса и кабинки, способной подниматься со скоростью не меньше одного метра в секунду. В соревнованиях 2007 года требования были еще жестче: длина троса должна была составлять 100 метров, а скорость кабины - не менее двух метров в секунду. В 2008 году дистанция возросла до 1 километра, а скорость - до пяти метров в секунду (для второго места было достаточно двух метров в секунду).

Призовой фонд соревнований постепенно увеличивался: ни один участник не мог выполнить необходимых требований. В 2009 году устроители конкурса решили поддержать энтузиазм участников и оставили прошлогоднее задание.

Некоторые ученые решили пойти другим путем и заменить ставшую уже традиционной конструкцию лифта на надувную башню. Башню планируется составлять из отдельных блоков, накачанных гелием. Пока авторы теоретически просчитали возможность создания 15-километровой башни и построили маленькую 7-метровую башенку. Высота подобных конструкций вряд ли сможет преодолеть порог в 200 километров, но для начала и это неплохо.

Мечтать не вредно

Несмотря на активную работу множества исследователей, пока космический лифт является проектом скорее фантастическим, чем научным. Протяженность самых длинных синтезированных на сегодняшний день нанотрубок не превышает нескольких миллиметров. Кроме того, пока тросы, сделанные из нанотрубок, проигрывают в прочности тросам, изготовленным из других материалов. Тем не менее, ученые продолжают трудиться над созданием космического лифта. Попутно они изобретают новые материалы и невольно создают новые технологии. Так что даже если попытки дотянуться до неба и не увенчаются успехом, они принесут реальную пользу на Земле.