Возможно, главнейшим препятствием на пути распространения человечества по солнечной системе служит запредельно высокая стоимость выхода из гравитационного колодца Земли. Так, по крайней мере, считают Зефир Пенуар из Кембриджского университета в Британии и Эмили Сэндфорд из Колумбийского университета в Нью-Йорке.
Проблема в том, что ракетные двигатели должны выбрасывать массу в одном направлении, чтобы получать тягу, двигающую космический корабль в другом. И для этого требуется огромное количество топлива, которое в итоге выбрасывают – но которое тоже нужно ускорять вместе с кораблём.
В итоге стоимость вывода на орбиту единственного килограмма полезного груза колеблется где-то в районе десятков тысяч долларов. Долететь до Луны и обратно будет ещё дороже. Поэтому все очень заинтересованы в поисках более дешёвого способа выйти на орбиту.
Одна из идей заключается в постройке космического лифта – кабеля, протянувшегося с Земли на орбиту, по которому можно было бы вскарабкаться в космос. Преимущество его в том, что процесс перемещения по кабелю можно будет питать солнечной энергией, поэтому топливо с собой тащить не потребуется.
Но и тут есть проблема. Подобный кабель должен быть чрезвычайно прочным. Потенциальным материалом для него могли бы стать углеродные нанотрубки, если бы их можно было сделать достаточно длинными. Но существующие сегодня варианты материалов пока ещё слишком непрочные.
И тут на сцену выходят Пенуар и Сэндфорд, подошедшие к идее с другой стороны. Они утверждают, что их вариант космического лифта, который они называют космическим тросом, можно сделать из материалов, доступных уже сегодня.
Сначала немного контекста. Обычно космический лифт представляют себе в виде кабеля, закреплённого на земле, и простирающегося за пределы геосинхронной орбиты, на высоту около 42 000 км.
Масса такого кабеля будет значительной. Поэтому его нужно сбалансировать, закрепив на другом конце соответствующую массу. В итоге лифт будет поддерживать центробежная сила.
Уже много лет физики, авторы фантастической литературы и мечтатели восторженно подсчитывали величины этих сил, только чтобы затем прийти в уныние от результатов. Нет ни одного достаточно прочного материала, способного противостоять им – ни паутина, ни кевлар, ни новомодные углепластики.
Поэтому Пенуар и Сэндфорд избрали другой подход. Вместо того, чтобы крепить кабель на Земле, они предлагают закрепить его на Луне и свесить в направлении Земли.
Космический лифт на космическом тросе
Разницу обуславливают центробежные силы. Обычный космический лифт должен совершать один оборот в день, в соответствии с вращением Земли. Однако лунный трос совершал бы один оборот всего раз в месяц – это гораздо меньшая скорость, и, соответственно, меньшие силы.
Более того, силы распределяются по-другому. Протянутый с Луны к Земле трос пройдёт через точку в пространстве, в которой притяжение Земли и Луны компенсируют друг друга.
Это т.н. точка Лагранжа, и она становится главной особенностью космического троса. Ниже её, т.е., ближе к Земле, гравитация притягивает трос к планете. Над ней, ближе к Луне, гравитация тянет трос ближе к лунной поверхности.
Пенуар и Сэндфорд быстро показывают, что если протянуть кабель от Луны до поверхности Земли, то воздействие, которое будет оказывать на него Земля, станет слишком большим для любых существующих сегодня материалов. Однако трос не обязательно тянуть до поверхности планеты для того, чтобы он стал приносить пользу.
Главный результат исследователей состоит в том, что они показали – прочные современные материалы, типа углепластика Zylon, могут выдержать силы, действующие на кабель, протянутый от Луны до геосинхронной орбиты. Далее они предполагают, что устройство, доказывающее принципиальную работоспособность проекта, можно сделать в виде кабеля толщиной в карандашный грифель, и свесить с Луны за несколько миллиардов долларов.
Цель амбициозная, однако, по сравнению с текущими космическими миссиями – не запредельная. “Протянув трос, закреплённый на Луне, в гравитационный колодец Земли, мы можем построить стабильный кабель, позволяющий передвигаться от точки, лежащей недалеко от Земли, к поверхности Луны”, – сказали Пенуар и Сэндфорд.
Экономия была бы грандиозной. “Проект уменьшил бы количество топлива, необходимого для достижения Луны, в три раза”, – говорят они.
А также открыл бы для изучения совершенно новый участок космоса – точку Лагранжа. Она интересна тем, что в ней и гравитация, и градиент гравитации равны нулю, благодаря чему в ней безопасно заниматься строительством. Градиент гравитации на низкой околоземной орбите делает эту орбиту гораздо менее стабильной.
“Если уронить с МКС инструмент, он будет с ускорением двигаться от вас, – пишут Пенуар и Сэндфорд. – В точке Лагранжа градиентом гравитации практически можно пренебречь. Выроненный инструмент останется рядом с рукой гораздо дольше”.
Также в этом регионе почти нет обломков. “Предыдущие миссии практически не затрагивали точку Лагранжа, а проходящие через неё орбиты хаотичны, что значительно уменьшает количество метеоритов”, – говорят они.
По этим причинам Пенуар и Сэндфорд утверждают, что обеспечение доступа к точке Лагранжа будет одним из главных преимуществ космического троса. “Мы считаем, что колония в точке Лагранжа станет важнейшим и самым влиятельным результатом для начала использования космического троса (и исследования космоса), – говорит они. – Такая база позволит создавать и поддерживать новое поколение космических экспериментов. Можно представить себе телескопы, ускорители частиц, детекторы гравитационных волн, виварии, электростанции и точки запуска миссий по всей Солнечной системе”.
Эта интересная работа обеспечивает новый взгляд на идею космического лифта. Недорогие путешествия к точке Лагранжа, Луне и другим местам могут стать значительно дешевле и доступнее.
Источник
Поддержать переводчика: Мой сайт / Patreon / Sponsr
