Космический лифт

Развитие ракетной техники, похоже, близится к пределу своих возможностей, так что учёные и инженеры занимаются разработкой и исследованием новых методов вывода грузов на околоземную орбиту и за её пределы. Среди самых перспективных — выдвинутая ещё в 1895 году русским учёным Константином Циолковским идея «космического лифта».

Ещё недавно считалось, что современный уровень развития техники не позволяет её осуществить, но группа американских учёных не согласна с таким мнением.

Предложенный Циолковским проект «орбитальной башни» развил в 1960-е советский инженер Юрий Арцутанов. В своих трудах он предложил модифицированную применительно к накопленному со времён Циолковского опыту конструкцию. Примечательно, что свою статью «В космос на электровозе» Арцутанов опубликовал почти за год до полёта Юрия Гагарина. В ней он предлагал использовать для доставки на орбиту грузов и людей тросы, привязанные к находящимся на геосинхронной орбите спутникам.

Таким образом, свободно летящие тросы (ротоваторы) вращаются со скоростью Земли или иного небесного тела, что обеспечивает их натяжение. Транспортировка по тросам при этом производится со значительно меньшим ускорением, нежели при ракетном старте. Строительству «космического лифта» посвящён и роман известного британского писателя-фантаста Артура Кларка «Фонтаны рая».

Теоретически гораздо более безопасный, дешёвый и надёжный способ освоения околоземного пространства для осуществления требует, прежде всего, производства тросов прочностью более 65 гигапаскалей (для сравнения: прочность стали — 1-5 ГПа, кварцевого волокна — около 20 Гпа). Необходимой прочности пока не достигли даже сверхпрочные углеродные нанотрубки на основе графена (при том, что длина существующих образцов обычно не превышает нескольких сантиметров).

Однако статья, переданная для публикации в журнал Space Policy американскими исследователями Юбэнксом и Редли (оригинал доступен на сайте arXiv.org), доказывает, что строительство космического лифта на Луне, скорее всего, возможно и с применением доступных сегодня в коммерческом обороте полимеров.

Первый этап проекта, названный авторами Deep Space Tether Pathfinder (DSTP), должен одновременно стать и прототипом пригодного для коммерческой эксплуатации космического лифта между Землёй и Луной, и важным инструментом исследования нашего спутника.

Вращение DSTP позволит захватить достаточное для научных исследований количество образцов в кратере Шеклтона, после чего, примерно на половине оборота троса, капсула с образцами отправится на Землю, благодаря получению ускорения, позволяющего выбрать оптимальную траекторию возврата.

Устройство, говоря упрощенно, сработает как катапульта, позволяющая перемещать груз с Луны на Землю. DSTP сможет совершить лишь одну отправку образцов, после чего уйдет в открытый космос — и сам станет объектом изучения влияния микрометеоритов на состояние троса и других факторов, важных для понимания работы космического лифта. Длина троса DSTP составит 5000 км, а масса — 2228 кг.

В случае успеха следующим этапом может стать строительство пригодной для перемещения на орбиту Луны с поверхности спутника и далее на Землю инфраструктуры собственно Лунно-космического лифта (ЛКЛ).


Система должна представлять собой прикреплённый к поверхности Луны сверхдлинный трос, проходящий через точку Лагранжа (в которой закреплённый на тросе груз будет оставаться неподвижным относительно двух небесных тел) между Луной и Землёй приблизительно в 56 тысячах км от Луны. ЛКЛ сможет поднимать с Луны приблизительно пять тонн породы в год и опускать на лунную поверхность оборудование такого же совокупного веса.

Как указывают авторы статьи, для осуществления проекта, учитывая меньшую силу тяжести на Луне, возможно использовать уже существующие и доступные в коммерческом обороте синтетические полимеры, такие, как сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности (СВМПЭ; применяется, в частности, для производства бронежилетов, облицовки судостроительных стапелей, эндопротезов.

В России работают две опытные установки по выпуску такого материала) и выпускаемый в Японии полифенилен-2, 6-безобиоксазоль (ПБО; торговое наименование Zylon, используется, в частности, для армирования строительных бетонных блоков).

По расчётам учёных, для осуществления проекта достаточно будет одного полёта космической миссии класса NASA Discovery. После доставки в точку Лагранжа 58,5 тонн полимера Zylon там будет оборудован «склад» необходимых для функционирования лифта материалов. Оттуда на поверхность Луны, в Центральный Залив, на тросе будет опущен спускаемый аппарат, который станет базовой станцией для подъёма и спуска грузов.

В открытый космос будет выпущен противовес, необходимый для удержания системы в состоянии равновесия; общая длина троса, таким образом, достигнет 278,5 тысячи км. Образцы реголита, лунного грунта, весом до 100 кг будут отправляться на промежуточную базу в точке Лагранжа при помощи многоразовой капсулы, питаемой солнечной энергией.

Топливо для дальнейшей передачи образцов на Землю не потребуется, так как, отцепившись от троса на расстоянии приблизительно 220,67 тысячи км от Луны, капсула будет продолжать движение по инерции и войдет в атмосферу Земли примерно через 34 часа на скорости около 10,9 км/с. Чтобы оценить возможный объем грузооборота, достаточно вспомнить, что в ходе всех лунных миссий «Аполлон» на Землю было доставлено всего 382 кг реголита.

В случае успеха второй ЛКЛ может быть построен на обратной стороне Луны, с базовой станцией в районе кратера Липский. Как указывают исследователи, такое положение будет, кроме прочего, идеальным местом для радиоастрономических исследований, так как обратная сторона Луны полностью изолирована от радиоволн с Земли.

Срок возможной эксплуатации лифтов авторы проекта оценивают в пять лет. Кроме научных исследований и гипотетического использования для добычи полезных ископаемых, лунные лифты могут сыграть важную роль в осуществлении программы пилотируемого полёта на Марс.

Как следует из опубликованного осенью 2015 года отчета международной исследовательской группы из Массачусетского технологического института, университета Кэйо и Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института, стартовую массу корабля к Марсу можно уменьшить на 68 процентов за счет использования для двигателей содержащегося в реголите кислорода (41-46 процентов удельного веса). Юбэнкс и Редли в своей работе указывают, что дополнительным фактором может быть и использование противовеса ЛКЛ на обратной стороне Луны для придания ускорения и вывода на орбиту Марса грузовых кораблей для снабжения в будущем колоний на «красной планете».