В первой части нашего материала мы рассмотрели наиболее популярные концепты орбитальных поселений, которые могло бы создать человечество. Все они объединены тем, что их возведение потребует стройматериалов в значительных объемах, которые следует как-то доставить в космос.
Одним из потенциальных вариантов решения проблемы видится их добыча на Луне с последующей транспортировкой к месту сборки. Однако, помимо очевидных плюсов, у этого способа есть и ряд недостатков. К тому же, чтобы начать масштабную добычу ресурсов на Луне, человечеству придется возвести там полноценную промышленность, что опять же, предусматривает перевозку туда большого количества грузов.
Использование для этой задачи традиционных химических ракет — крайне дорогое удовольствие. К счастью, человечество знает об альтернативе в виде космического лифта.
Космический лифт
Упрощенно его концепция выглядит следующим образом. С земного экватора в космос протягивается сверхпрочный трос. Он закрепляется на противовесе, расположенном в точке чуть выше геостационарной орбиты. Центробежная сила всегда будет удерживать трос в натянутом состоянии. Далее на него устанавливается подъемник для перевозки грузов и пассажиров. Сила вращения Земли будет ускорять грузовую капсулу, что позволит выводить полезную нагрузку прямо на орбиту без затрат топлива.
На словах все предельно просто. Но, конечно же, чтобы соорудить космический лифт, его строителям придется решить ряд весьма нетривиальных задач. Ключевой из них является трос, который должен выдерживать огромные нагрузки и при этом не сложиться под собственным весом.
На сегодняшний день наиболее перспективным материалом для его создания считаются углеродные нанотрубки. В теории, они могут обладать достаточной прочностью, чтобы справиться с возложенными на трос задачами. На практике все несколько сложнее. Пока что прочность ни одной из полученных в лаборатории нанотрубок не дотянула до нужных для реализации такого проекта значений. Другая проблема, которая еще ждет своего решения — как именно заплести их в трос протяженностью свыше 40 000 км.
Неудивительно, что многие инженеры пытаются найти альтернативу углеродным нанотрубкам. Один из предложенных вариантов — сверхтонкие алмазные нити. Результаты некоторых экспериментов свидетельствуют, что они могут обладать даже большей прочностью, нежели нанотрубки. Но и это пока лишь теория, нуждающаяся в подтверждении.
Следующим важным вопросом выступает место расположения основания космического лифта. В романе «Фонтаны рая» Артур Кларк элегантно решил эту проблему, передвинув копию острова Шри-Ланка на экватор. В реальности все, конечно, сложнее. Наземная площадка станет вариантом подешевле, однако строителям нужно тщательно оценить все потенциальные факторы риска, в частности тектоническую стабильность региона, вероятность наводнений и других стихийных бедствий, способных угрожать целостности сооружения. К тому же учесть еще и политический аспект.
Основание можно разместить и на морской платформе. Этот вариант сложнее и дороже в реализации, но в то же время позволяет избежать проблем, связанных с национальной принадлежностью космического лифта. Другим плюсом является способность морской платформы маневрировать, что даст ей возможность уклоняться от угрожающих ураганов и штормов.
Не стоит забывать о необходимости защиты лифта от столкновений с космическим мусором, а его пассажиров — от воздействия радиационных поясов Земли. Помимо этого, конструкторам важно определиться с противовесом. В его качестве можно использовать какой-то тяжелый объект вроде космической станции либо захваченного астероида, к которому будет прикреплен конец каната. Другой вариант — применить как противовес второй трос (или продолжение уже имеющегося), направленный в противоположную Земле сторону. Он выпрямится и натянется под действием центробежной силы, что позволит воспользоваться ним как катапультой для вывода полезной нагрузки в межпланетное пространство.
Если конструкторы сумеют-таки решить все описанные выше проблемы, человечество получит в свое распоряжение прямую дорогу в космос. Да, строительство космического лифта обойдется в весьма внушительную сумму. Но после ввода в эксплуатацию он даст возможность быстрой доставки большого количества грузов на орбиту практически бесплатно (если сравнивать с ценой их запуска на традиционных ракетах).
Это позволит реализовать множество масштабных проектов, как то создание орбитальных поселений в точках Лагранжа или поддержка в колонизации других планет Солнечной системы. Космический лифт может пригодиться даже в борьбе с глобальным изменением климата. Скажем, построенные с его помощью гигантские космические зеркала, отражая часть падающего на земную поверхность солнечного света, поспособствуют ее охлаждению, компенсировав эффект глобального потепления. Нелишне упомянуть и проекты орбитальных солнечных электростанций, способных ликвидировать нашу зависимость от сжигания ископаемого топлива. Наличие космического лифта радикально облегчит процесс строительства подобных мегасооружений.
Космический лифт может подарить человечеству реализацию его многовековой мечты — добраться до других звезд. Все разработанные на сегодняшний день проекты звездолетов предполагают создание кораблей массой во много тысяч тонн (и это без учета сопутствующей инфраструктуры вроде разгонных лазеров). Если человечеству когда-либо суждено отправиться к другим звездам, скорее всего, оно сделает это именно с помощью космического лифта.
Небесный крюк
Космический лифт является хотя и самым известным, но все же далеко не единственным проектом астросооружения, предназначенного для безракетной доставки грузов в космос. Одна из его перспективных альтернатив — небесный крюк (Skyhook), концепция которого разработана специалистами NASA и компании Boeing.
Идея заключается в следующем. На околоземную орбиту выводится вращающийся спутник, от которого расходятся два оснащенных крюками троса (внешне всю конструкцию можно сравнить с гигантским колесом обозрения с двумя спицами). Их длина такова, что во время каждого оборота они проходят через верхнюю часть земной атмосферы. В этот момент крюк может подхватить груз, который затем будет вытянут на околоземную орбиту. Для его доставки к крюку подойдет гиперзвуковой самолет наподобие X-15. Аналогичным способом с помощью Skyhook можно транспортировать груз из космоса обратно на Землю.
Изображение: NASA
У проекта Skyhook есть несколько важных преимуществ в сравнении с космическим лифтом. Его дешевле построить и, что немаловажно, это не требует применения еще не изобретенных технологий и материалов. Проектировщики уверяют, что для создания троса Skyhook годятся сверхпрочные полиэтилены и термостойкий зилон.
Впрочем, у этого сооружения есть и своя специфика. Чтобы Skyhook оставался на орбите, его масса должна на два порядка превышать массу полезной нагрузки. Другая важная особенность связана с тем, что Skyhook работает как гигантский маховик — накопитель вращательного момента и кинетической энергии. На запуск спутников небесный крюк расходует энергию своего движения. Это значит, что высота его орбиты будет снижаться после каждого вывода груза на орбиту, и наоборот, увеличиваться после каждой доставки на Землю. То есть, для того чтобы снизить затраты энергии до минимума, в идеале, поток идущих на Землю грузов должен быть таким же, что и запускаемых в космос.
По мнению некоторых экспертов, наиболее подходящим местом для размещения Skyhook является не наша планета, а Луна. Низкая гравитация и отсутствие атмосферы значительно облегчат процесс создания и эксплуатации такого сооружения. Кроме того, на Луне куда проще добиться равного грузопотока. Skyhook будет доставлять припасы для лунных поселенцев и выводить в космос добытые ними материалы, которые затем можно использовать для строительства иных астросооружений.
Орбитальное кольцо
Еще один проект глобальной транспортной артерии, предназначенной для массовой доставки грузов на орбиту, носит название орбитальное кольцо. Иногда его еще называют космическим мостом. Базовая концепция сооружения предполагает строительство вдоль земного экватора гигантской эстакады (над океаном для нее возведут плавучие опоры). На нее устанавливается имеющее возможность небольшого удлинения кольцо, содержащее отсеки для полезной нагрузки. Внутри этого кольца есть вакуумированный туннель, в котором размещается лента на магнитной подвеске. После включения она разгоняется до скорости, превышающей первую космическую, что создает подъемную силу. В результате кольцо начинает подниматься и выходит за пределы земной атмосферы. После выгрузки и забора необходимых грузов кольцо совершает посадку и возвращается на экваториальную эстакаду.
Изображение: joyreactor.cc
К сожалению, несмотря на всю неординарность идеи, есть несколько «но», препятствующих ее реализации. В частности, расчеты инженеров показали, что подобное кольцо будет слишком неустойчивым. И это уже не говоря о том, что для его создания земной экватор придется «опоясать», что тоже выглядит далеко не самой простой задачей.
Существует ряд модификаций базовой версии орбитального кольца, призванных устранить описанные выше недостатки. Одна из них предполагает использование эффекта неустойчивости. По задумке авторов, после активации кольцо начнет вращаться, и одна его часть останется на специальном ложе на Земле, а другая выйдет за пределы атмосферы — внешне это можно сравнить с гигантским хула-хупом. В результате получится что-то вроде планетарной автострады. Та часть кольца, что лежит на Земле, будет принимать грузы, подлежащие отправке в космос, и выгружать принятые с орбиты. Часть кольца, выступающая за пределы атмосферы, наоборот, производит выгрузку в космос и прием грузов, которые следует доставить на поверхность планеты. А поскольку вся структура никогда не теряет контакта с поверхностью, ее можно снабжать энергией прямо с Земли.
Дальнейшая разработка этой концепции привела к появлению проекта астросооружения, объединяющего лучшие аспекты космического лифта и орбитального кольца. Суть идеи заключается в том, что после создания кольца с него спускаются тросы, которыми затем воспользуются в качестве космических лифтов. Принципиальное отличие от базовой версии космического лифта — кольцо будет на высоте всего 500 км над земной поверхностью, а не 42 000 км. Создание троса такой длины — в пределах возможностей нескольких уже известных материалов.
Другой важный момент заключается в том, что обеспечивающая подъемную силу вращающаяся часть кольца вовсе не обязательно должна быть сплошной и заключенной в твердую оболочку. Вместо этого на нужной орбите можно разместить множество отдельных магнитных объектов и специальных станций, которые будут разгонять их и менять траектории. Это устраняет необходимость строительства гигантской эстакады вдоль земного экватора, что существенно снижает стоимость проекта. Для запуска элементов кольца на орбиту можно будет использовать и более традиционные средства вывода грузов.
Изображение: solcommand.com
Конечно, все описанные выше проекты сейчас выглядят как абсолютная фантастика. Для их реализации недостаточно ресурсов какой-то одной страны или даже группы стран. Они потребуют общих усилий всей планеты. Однако, если человечеству когда-либо удастся дойти до стадии создания по-настоящему единой цивилизации, оно вполне может построить какое-то из этих сооружений.
В последней части цикла статей мы рассмотрим сооружения поистине астрономического масштаба — сферу Дайсона и звездную машину.
