Лифт до Луны

По словам авторов проекта, космический лифт может быть разработан уже к 2020 году. Он поможет доставлять материал для строительства космической станции на Луну.



Предполагается, что конструкция будет основана на применении троса, протянутого от поверхности планеты сначала к орбитальной станции в точке Лагранжа, а потом и Луне. На нем будет закреплен подъемник.

Однако строительство такого аппарата — крайне сложный процесс. Инженерам придется решить, как преодолеть силу тяжести, сложную погоду и обилие воды вокруг нашей планеты. Кроме того, исследователям нужно найти материал троса, который сможет держать лифт, чтобы тот он не рухнул под собственной тяжестью и не разрушился из-за льда, образующегося в верхних слоях атмосферы.

Однако, если строить лифт не с Земли, а с Луны, многих трудностей удалось бы избежать, считают разработчики.

Ранее инженеры японской компании также пообещали построить космический лифт для доставки людей и грузов на орбиту Земли. Конструкцию обещают изготовить к 2050 году. Теоретически лифт действует следующим образом: сверхпрочный трос фиксируется одним концом на поверхности планеты, а другим — в неподвижной точке выше геостационарной орбиты с помощью груза. Удерживает его центробежная сила.

По тросу поднимается подъёмник, несущий полезный груз. При подъёме груз будет ускоряться за счёт вращения Земли по спирали, что позволит на достаточно большой высоте отправлять его за пределы тяготения Земли. В идеале, использование идеи «Космического лифта» проявит себя на Луне, или Марсе.

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. Создание лифта оценивается в 7—12 млрд долларов США. НАСА уже финансирует соответствующие разработки американского Института научных исследований, включая разработку подъёмника, способного самостоятельно двигаться по тросу.

Основание

Основание космического лифта — это место на поверхности планеты, где прикреплён трос и начинается подъём груза. Оно может быть подвижным, размещённым на океанском судне.
300px-Space_elevator_structural_diagram_ru.svg
Преимущество подвижного основания — возможность совершения маневров 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

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 гигапаскаля, 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 немногим выше.

Углеродные нанотрубки должны, согласно теории, иметь растяжимость 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 растяжимость однослойной нанотрубки была 52 ГПа, а в среднем они ломались в диапазоне 30-50 ГПа.

В эксперименте учёных из Университета Южной Калифорнии 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.

По заявлениям некоторых учёных, даже углеродные нанотрубки никогда не будут достаточно прочны для изготовления троса космического лифта.

Эксперименты учёных из Технологического университета Сиднея позволили создать графеновую бумагу:
800px-Graphen
Испытания образцов внушают оптимизм: 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.

Подставив  в специальную формулу плотность и прочность стали и диаметр троса на уровне Земли в 1 см, мы получим диаметр на уровне геостационарной орбиты в несколько сот километров, что означает, что сталь и прочие привычные нам материалы непригодны для строительства лифта.

Отсюда следует, что есть четыре способа добиться более разумной толщины троса на уровне ГСО:

Использовать менее плотный материал. Поскольку плотность большинства твёрдых тел лежит в относительно небольшом диапазоне от 1000 до 5000 кг/м³, здесь вряд ли получится чего-то добиться.
Использовать более прочный материал. В этом направлении в основном и идут исследования. Углеродные нанотрубки в десятки раз прочнее лучшей стали, и они позволят значительно уменьшить толщину троса на уровне ГСО. Тот же расчет, выполненный из предположения, что плотность троса равна плотности углеволокна ρ = 1,9 г/см3 (1900 кг/м3), с предельной прочностью σ = 90 ГПА (90·109 Па) и диаметром троса у основания 1 см (0.01 м), позволяет получить диаметр троса на ГСО всего 9 см.
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 троса как можно тоньше. Он все равно должен быть достаточно толстым, чтобы выдержать подъёмник с грузом, так что минимальная толщина у основания также зависит от прочности материала. Тросу из углеродных нанотрубок достаточно иметь у основания толщину всего в один миллиметр.
Ещё способ — 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. Если же «заякорить» кабель на сверхзвуковом самолёте, или поезде, то выигрыш в массе кабеля уже будет измеряться не процентами, а десятками раз (но не учтены потери на сопротивление воздуха). Также есть идея вместо троса из нанотрубок использовать условные силовые линии магнитного поля Земли.

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.

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, скорость и наклон

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 градус. 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 начнет наматываться на землю.
646px-Space_elevator_balance_of_forces_RUS.svg
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.

Animate_orbit

К моменту достижения грузом геостационарной орбиты его угловой момент достаточен для вывода груза на орбиту. Если груз не высвободить с троса, то остановившись вертикально на уровне ГСО, он будет наxодиться в состоянии неустойчивого равновесия, а при бесконечно малом толчке вниз, сойдет с ГСО и начнет опускаться на Землю с вертикальным ускорением, при этом замедляясь в горизонтальном направлении. Потеря кинетической энергии от горизонтальной составляющей при спуске будет передаваться через трос угловому моменту вращения Земли, ускоряя её вращение. При толчке вверх груз также сойдет с ГСО, но в противоположном направлении, то есть начнет подниматься по тросу с ускорением от Земли, достигнув конечной скорости на конце троса. Поскольку конечная скорость зависит от длины троса, её величина таким образом может быть задана произвольно. Следует отметить, что ускорение и прирост кинетической энергии груза при подъёме, то есть его раскручивание по спирали, будут происходить за счет вращения Земли, которое при этом замедлится. Данный процесс полностью обратим, то есть если на конец троса надеть груз и начать его опускать, сжимая по спирали, то угловой момент вращения Земли соответственно увеличится.
126
При спуске груза будет происходить обратный процесс, наклоняя трос на восток.

Напомню, что расстояние от Земли до Луны примерно 385 000 км, до ГСО 35 786 км.

Спасибо=) Свои мысли можете писать ниже в комментариях, либо на стене группы=)

ПыСы: В начале страницы есть ссылка на камеру на ISS, кто ни разу не видел — будет интересно посмотреть!=)