«Следующая станция — “Орбита Кларка”. Уважаемые пассажиры, просим надеть скафандры и включить источники обеспечения жизни».

Возможно, для наших внуков эта фраза будет такой же привычной, как для нас объявление остановки в метро. Но энтузиастыинноваторы обещают сделать это реальностью уже для наших детей. Гонка технологий началась!

Дорогое удовольствие Современная космонавтика — занятие ну очень затратное: доставка всего лишь килограмма груза на МКС стоит примерно 20 000 долларов. И это самый ближний космос, всего 160 км от Земли. Так, доставка космонавта весом 70 кг обойдётся в 1 400 000 долларов! Поэтому одна из первоочередных задач космонавтики — удешевление грузоперевозок. Высокая стоимость — плата за плотную атмосферу и гравитацию, для преодоления которой требуются циклопические многоступенчатые ракеты-носители, огромный штат инженеров, гигантские космодромы и мощная индустрия, выпускающая исключительно одноразовые изделия. Тем не менее за последние десять лет в этой индустрии произошли большие изменения. Если раньше доступ в космос имели только государственные агентства (NASA, Европейское космическое агентство, Роскосмос), сегодня появились частные компании, самостоятельно разрабатывающие и запускающие ракеты.

В большинстве случаев речь идёт о выводе спутников связи на околоземную орбиту. Безоговорочное лидерство в этой области американцам обеспечил Илон Маск и его аэрокосмическая компания SpaceX. За 15 лет ему удалось снизить стоимость запуска до 56,5 млн долларов — отправка в космос сравнимых по характеристикам американских же ракет Atlas V и Delta IV обходится соответственно в 109 и 160 млн долларов. Но если амбициозная SpaceX сумеет отладить технологию многократного использования ракетыносителя Falcon 9, цена запуска снизится до 5–7 млн долларов. С ракетами более или менее понятно: индустрии предстоит долгий и изнурительный марафон по снижению стоимости компонентов, оптимизации процессов, поиску новых материалов и т. д. Но существует ли принципиальная альтернатива ракетам-носителям, пусть даже многоразовым?

СТОИМОСТЬ ДОСТАВКИ ГРУЗОВ НА МКС

• ВОЛЫНКА — $260 000
• КАПУЧИНО-МАШИНА — $2 МЛН
• НАБОР ЛИМОНОВ — более $2000 за штуку
• 70 МЫШЕЙ — $30 000
• ДЕТЁНЫШ ОСЬМИНОГА — $8

Общий вес Международной космический станции — 417,2 тонны. В среднем за один полёт (с пери одичностью примерно раз в 3 месяца) на станцию доставляется около 3 тонн еды, топлива и инструментов. Доставка всех этих предметов, участвовавших в необычных экспериментах, обошлась в космические суммы. Но дух сотрудничества, стремление к инновациям и прогресс бесценны!

Лестница с небес

А что, если построить высокую-высокую башню, достающую до самого неба,— воплотить дерзкую мечту на базе современных технологий и превратить космонавтику в часть повседневной транспортной системы? Идея эта не нова, истоки можно найти в мифологии: исполинский ясень Иг гдрасиль у скандинавов, английская сказка о Джеке и бобовом зёрнышке, биб лейская притча о Вавилонской башне. Даже основатель космонавтики Конс тантин Циолковский, вдохновлённый недавно построенной Эйфелевой башней, предлагал нечто подобное. Однако с инженерных позиций концепцию «лестницы» впервые рассмотрел аспирант Ленинградского технологического института Юрий Арцутанов, опубликовавший в «Комсомольской правде» от 31 июля 1960 года статью «В космос — на электровозе».

Арцутанов предложил строить орбитальный лифт сверху, опустив трос с геостационарного спутника. На эту мысль его натолкнула статья «Внеземные ретрансляторы» (Extra-Terrestrial Relays) бывшего лейтенанта британских королевских ВВС Артура Кларка. Автор писал, что размещать орбитальные спутникиретрансляторы следует так, чтобы они всё время находились строго над определённой точкой вдоль экватора. Это возможно при совпадении угловой скорости вращения спутника и Земли.

Дальнейшие расчёты показали, что спутник должен находиться на высоте 35 786 км и иметь скорость 3,07 км/с. С тех пор в научно-технической литературе геостационарные орбиты называют поясами Кларка, а сам он прославился как писатель-фантаст, по сценарию которого снят легендарный фильм «Космическая одиссея 2001 года». Вторым толчком для необычного проекта послужила короткая заметка о новом синтетическом материале невероятной прочности, созданном в США. Речь шла о прототипе кевлара фирмы DuPont. Удельная прочность материала была в пять раз выше, чем у стали. Сегодня кевлар используют везде, где нужна большая прочность при малой массе: из него делают бронежилеты, тормозные колодки, защитные покрытия и т. Д.

Статья Юрия Арцутанова в «Комсомольской правде» от 31 июля 1960 года

Схема работы внеземного ретранслятора Кларка из журнала Wireless World (октябрь 1945 года). Передатчик А (Земля)  Ретранслятор (спутник)  Приёмники B и С (Земля).

Волокна кевлара характерного жёлтого цвета. Диаметр элементарного волокна 10 мкм. С 1970-х годов кевлар используют при изготовлении бронежилетов. Его армирующие волокна собираются в многослойную структуру, которая способна остановить малокалиберную пулю.

КОСМИЧЕСКИЙ ЛИФТ В ФАНТАСТИКЕ

Создание космического лифта легло в основу знаменитого романа Артура Кларка «Фонтаны рая», вышедшего в 1979 году и удостоенного сразу двух престижных премий в области фантастики: Хьюго и Небьюлу. В свой первый приезд в СССР Кларк встретился с Юрием Арцутановым и оценил проект советского инженера — при всей его невероятности — как абсолютно обоснованный, опирающийся на известные закономерности элементарной механики и просчитываемый до мельчайших подробностей.

СХЕМА КОСМИЧЕСКОГО ЛИФТА

На каких высотах летают спутники? Сегодня вокруг Земли вращаются приблизительно 3500 спутников, и только половина из них — в рабочем состоянии. Орбита Международной космической станции расположена «всего» в 400 км над Землёй. На низкой околоземной орбите (до 2000 км) работают около 500 спутников. Орбита спутников GPS (Глобальной системы позиционирования) находится на высоте 20 000 км. 

Дело за материалами? По расчётам, космический трос должен выдерживать механическое напряжение не менее 60–80 тысяч МПа, и чем выше будет его прочность, тем легче конструкция. Что же предлагают современные технологии? Начнём со стали. Для корректности отметим, что пределы прочности на разрыв у разных видов стали сильно различаются. Так, у термически упрочнённой легированной (кремнехромомарганцовистой) стали марки 30ХГСА, применяемой для изготовления особо ответственных узлов, предел прочности достигает 1400 МПа. У широко распространённой стали марки Ст3сп (конструкционной углеродистой стали обыкновенного качества общего назначения с содержанием углерода 0,03%) — около 400 МПа. Сегодняшние чемпионы — полиоксазольный полимер зайлон (Zylon) с пределом прочности до 6000 Мпа, кварцевые волокна и монокристаллические углеродные волокна («усы»): теоретический предел прочности у них достигает 20 000 МПа!

Предел прочности — это величина, при превышении которой механическое напряжение разрушает конкретный материал. В зависимости от природы механического воздействия предел прочности может быть статическим и динамическим, определяться сжатием или растяжением. Предел прочности (обозначается σ – сигма) измеряется в Паскалях и рассчитывается по формуле:

Модуль Юнга, или просто модуль упругости,— это свойство объекта деформироваться вдоль оси при воздействии силы вдоль этой оси

Отметим любопытную инициативу, с которой выступили специалисты некоммерческого фонда Spaceward — организатора ежегодных Space Elevator Games, проводимых с 2005 года при поддержке NASA. Признавая заслуги советского инженера, они предложили

оценивать характеристики перспективных материалов в особых единицах — Юриях (Yuri). Это удельная прочность, то есть отношение прочности на разрыв к плотности материала (в СИ — Па × м³/кг). Чаще всего используется большая единица — мегаюрий (Myuri) с более привычной инженерам размерностью ГПа × см³/г. Выбор параметров не случаен. Если вспомнить школьную задачу о стальной проволоке, свисающей с аэростата (на какой высоте она оборвётся?), то станет ясно: её предельная длина прямо пропорциональна пределу прочности и обратно пропорциональна плотности материала. Так вот, легированная сталь обладает удельной прочностью в 0,2 мегаюрия (предел прочности — 1,4 ГПа, плотность — 8 г/см3 ) и оборвётся под собственным весом на высоте 18 километров. У кевлара удельная прочность намного выше — 2,4 мегаюрия, а лидирует уже упомянутый зайлон с 3,5 мегаюрия.

На какой высоте стальная проволока, свисающая с аэростата, оборвётся под собственным весом?

Предел прочности проволоки из высокоуглеродистой стали (σ) — 1420 МПа, плотность (ρ) — 7800 кг/м3 . Приняв сечение проволоки за 5 мм2 (в натуральную величину ), рассчитаем, под действием какой силы она порвётся.

Углерод для прорыва Для предметного разговора нужны материалы, удельная прочность которых больше на порядок. Артуру Кларку для «Фонтанов рая» пришлось придумать молекулярные нити, паутинка которых выдерживала вес нескольких упитанных взрослых. В ноябрьском номере журнала Nature за 1991 год японский физик Сумио Иидзима, сотрудник компании NEC (Nippon Electric Co.), опубликовал статью Synthesis of carbon nanotubes, возродившую надежды на появление сверхпрочного материала космического назначения. Действительно, алмаз, самое твёрдое природное вещество,— это чистый углерод, атомы которого выстроены в пространственную решётку, скреплённую прочными ковалентными связями типа sp2. Но ведь графит — тоже углерод, только организованный иначе!

Отсюда недалеко и до графеновых трубок, в общем виде представляющих собой строго упорядоченные мономолекулярные структуры — своеобразные двумерные кристаллы с выдающимися механическими свойствами, которые теоретически подходят для строительства космического лифта. Проблема в том, что между метровыми лабораторными образцами (нынешний рекорд пока только подбирается к метру) и нитью длиной с экватор — гигантская дистанция, и преодолеть её будет ох как непросто. Например, американский футуролог Говард Хенсон утверждает, что практическое изготовление нанотрубок сопряжено с принципиальной невозможностью обеспечения однородности их структуры: в силу квантовых эффектов ровная и прочная углеродная сетка обязательно будет иметь локальные дефекты.

А профессор Туринского политехнического института Никола Пуньо, специализирующийся на исследовании наноматериалов, проведя обширные и подробные расчёты, пришёл к неожиданному выводу: углеродные однослойные нанотрубки в принципе неспособны обеспечить требуемую прочность! Даже одноатомный дефект в плоском углеродном кристалле может вызвать расползание всей структуры. А сколько их может накопиться в тросе длиной в десятки тысяч километров? Да и про внешние факторы воздействия — ветер, дожди, жару, морозы, пыль, микрометеориты и радиацию — тоже не стоит забывать. И тем не менее компания Obayashi, один из  крупнейших игроков строительного рынка Японии, устами своего руководителя Иодзи Исикавы объявила о намерении создать к 2050 году полноценный космический лифт на основе углеродных нанотрубок, оценив стоимость проекта в 100 млрд долларов. С подобным заявлением ранее выступала американская Liftport Group из Сиэтла, пообещавшая построить лифт к 2031 году. Смогут ли они осуществить дерзкий замысел? Поживём — увидим! Ждать осталось немного.