У першій частині нашого матеріалу ми розглянули найпопулярніші концепти орбітальних поселень, які могло б створити людство. Всі вони об’єднані тим, що їхнє зведення потребуватиме значних об’ємів будматеріалів, які потрібно якось доправити у космос.
Одним із потенційних варіантів розв’язання проблеми є їхній видобуток на Місяці з подальшим транспортуванням до місця збирання. Однак, окрім очевидних плюсів, цей спосіб має й низку недоліків. До того ж, щоб розпочати масштабний видобуток ресурсів на Місяці, людству слід облаштувати там повноцінну промисловість, що, знову ж таки, вимагатиме доставки туди великої кількості вантажів.
Використання для цього традиційних хімічних ракет є вкрай дорогим задоволенням. На щастя, людство знає про альтернативу у вигляді космічного ліфта.
Космічний ліфт
Спрощено його концепція наступна. З земного екватора в космос простягається надміцний трос. Він закріплюється на противазі, розташованій у точці трохи вище за геостаціонарну орбіту. Відцентрова сила завжди утримуватиме трос у натягнутому стані. Далі на нього встановлюється підйомник для перевезення вантажів і пасажирів. Сила обертання Землі прискорюватиме вантажну капсулу, що дозволить виводити корисне навантаження прямо на орбіту, не потребуючи для цього палива.
На словах все дуже просто. Але, звичайно ж, щоб побудувати космічний ліфт, його будівельникам доведеться вирішити низку вельми нетривіальних завдань. Ключовим з них є трос, що має витримувати величезні навантаження і при цьому не скластися під власною вагою.
На сьогодні найбільш перспективним матеріалом для його створення є вуглецеві нанотрубки. Теоретично, вони можуть бути достатньо міцними, аби впоратися з покладеними на трос завданнями. На практиці все дещо складніше. Поки що міцність жодної з нанотрубок, отриманих у лабораторії, не дотягнула до потрібних для реалізації такого проєкту значень. Інша проблема, яка ще чекає на своє рішення — як саме заплести їх у трос завдовжки понад 40 000 км.
Тож не дивно, що багато інженерів намагаються знайти альтернативу вуглецевим нанотрубкам. Одним із запропонованих варіантів є надтонкі алмазні нитки. Результати деяких експериментів свідчать, що вони можуть мати навіть більшу міцність, ніж нанотрубки. Але й це поки що лише теорія, яка ще потребує підтвердження.
Наступним важливим питанням є місце розташування основи космічного ліфта. У романі “Фонтани раю” Артур Кларк елегантно розвʼязав цю проблему, посунувши копію острова Шрі-Ланка на екватор. Насправді все, звісно, складніше. Наземний майданчик є дешевшим варіантом, утім, будівельникам треба ретельно оцінити всі потенційні фактори ризику, зокрема тектонічну стабільність регіону, ймовірність повеней та інших стихійних лих, здатних загрожувати цілісності будівлі. Та ще й зважати на політичний аспект.
Основу можна розмістити і на морській платформі. Цей варіант складніший і дорожчий у реалізації, проте водночас дозволяє уникнути проблем, пов’язаних з національною приналежністю космічного ліфта. Іншим плюсом є здатність морської платформи маневрувати, що дасть можливість ухилятися від загрозливих ураганів і штормів.
Не варто забувати й про необхідність захисту ліфта від зіткнень із космічним сміттям, а його пасажирів — від впливу радіаційних поясів Землі. Крім цього, конструкторам важливо визначитися щодо противаги. У її ролі можна використовувати якийсь важкий об’єкт на кшталт космічної станції чи захопленого астероїда, до якого буде прикріплений кінець каната. Інший варіант — застосувати як противагу другий трос (або продовження вже наявного), спрямований у протилежну від Землі сторону. Він випрямиться і натягнеться під дією відцентрової сили, що дозволить скористатися ним як катапультою для виведення корисного навантаження у міжпланетний простір.
Якщо конструктори зуміють-таки вирішити всі описані вище проблеми, людство отримає у своє розпорядження пряму дорогу в космос. Так, будівництво космічного ліфта коштуватиме вельми значну суму. Але після введення в експлуатацію він дасть можливість швидкої доставки великої кількості вантажів на орбіту практично безкоштовно (порівняно з ціною їхнього запуску на традиційних ракетах).
Це дасть змогу реалізувати безліч масштабних проєктів, як-от утворення орбітальних поселень у точках Лагранжа або ж підтримка колонізації інших планет Сонячної системи. Космічний ліфт може стати корисним навіть у боротьбі з глобальною зміною клімату. Скажімо, побудовані за його допомогою гігантські космічні дзеркала відбиватимуть частину сонячного світла, що падає на земну поверхню, та сприятимуть її охолодженню, компенсувавши ефект глобального потепління. Незайвим буде згадати і проєкти орбітальних сонячних електростанцій, які у змозі ліквідувати нашу залежність від спалювання викопного палива. Наявність космічного ліфта радикально полегшить процес будівництва подібних мегаспоруд.
Космічний ліфт може подарувати людству реалізацію його багатовікової мрії — дістатися інших зір. Усі розроблені наразі проєкти зорельотів припускають створення кораблів масою в багато тисяч тонн (і це без урахування супутньої інфраструктури на кшталт розгінних лазерів). Якщо людству колись судилося вирушити до інших зір, найімовірніше, воно зробить це саме за допомогою космічного ліфта.
Небесний гак
Космічний ліфт є хоча й найвідомішим, але все ж таки далеко не єдиним проєктом астроспоруди, призначеної для безракетної доставки вантажів у космос. Однією з перспективних альтернатив є небесний гак (Skyhook), концепцію якого розробили фахівці з NASA та компанії Boeing.
Ідея така. На навколоземну орбіту виводиться супутник, що обертається, від нього розходяться два оснащені гаками троси (зовні всю конструкцію можна порівняти з гігантським колесом огляду з двома спицями). Їхня довжина така, що під час кожного обороту вони проходять через верхню частину земної атмосфери. У цей момент гак зможе підхопити вантаж, який потім витягнеться на навколоземну орбіту. Його доставку до гака виконає гіперзвуковий літак на зразок X-15. Аналогічним способом за допомогою Skyhook можна натомість доправити вантаж із космосу на Землю.
Зображення: NASA
Проєкт Skyhook має кілька важливих переваг порівняно з космічним ліфтом. Його дешевше побудувати і, що важливо, це не вимагає використання ще не винайдених технологій та матеріалів. Проєктувальники запевняють, що для створення троса Skyhook підійдуть надміцні поліетилени та термостійкий зилон.
Утім, ця споруда має й свою специфіку. Аби Skyhook залишався на орбіті, треба, щоб його маса на два порядки перевищувала масу корисного навантаження. Інша важлива особливість пов’язана з тим, що Skyhook працює як гігантський маховик — накопичувач обертального моменту та кінетичної енергії. На запуск супутників небесний гак витрачає енергію свого руху. Це означає, що висота його орбіти знижуватиметься після кожного виведення вантажу на орбіту, та навпаки, збільшуватиметься після кожної доставки на Землю. Тобто, для того щоб знизити витрати енергії до мінімуму, потоку вантажів, що йдуть на Землю, в ідеалі слід бути аналогічним тим, що запускаються в космос.
На думку деяких експертів, найбільш сприятливим місцем для розміщення Skyhook є не наша планета, а Місяць. Нижча гравітація та відсутність атмосфери значно спростять процес створення й експлуатації такої споруди. Крім того, на Місяці буде легше досягти рівного вантажопотоку. Skyhook доставлятиме запаси для місячних поселенців і виводитиме в космос здобуті ними матеріали, які потім можна використовувати для будівництва інших астроспоруд.
Орбітальне кільце
Ще один проєкт глобальної транспортної артерії, призначеної для масової доставки вантажів на орбіту, має назву орбітальне кільце. Іноді його ще називають космічним мостом. Базова концепція споруди передбачає будівництво вздовж земного екватора гігантської естакади (над океаном для неї зведуть плавучі опори). На неї встановлюється кільце, що має можливість незначного подовження. Воно містить відсіки для корисного навантаження, а всередині цього кільця — вакуумований тунель, в якому розташовується стрічка на магнітній підвісці. Після включення вона розганяється до швидкості, що перевищує першу космічну, це створює підйомну силу. В результаті кільце починає підніматися та виходить за межі земної атмосфери. Після вивантаження і забору необхідних вантажів кільце здійснює посадку та повертається на екваторіальну естакаду.
Зображення: joyreactor.cc
На жаль, попри всю неординарність ідеї, є певні “але”, які заважають її реалізації. Зокрема, інженерні розрахунки показали, що подібне кільце буде надто нестійким. І це вже не кажучи про те, що для його створення земний екватор доведеться “опоясати”, що теж видається далеко не найпростішим завданням.
Існує низка модифікацій базової версії орбітального кільця, покликаних усунути наведені вище недоліки. Один із них передбачає використання ефекту нестійкості. За задумом авторів, після активації кільце почне обертатися, і одна його частина залишиться на спеціальному ложі на Землі, а інша вийде за межі атмосфери — зовні це можна порівняти з гігантським хула-хупом. Врешті вийде щось на зразок планетарної автостради. Та частина кільця, що лежить на Землі, прийматиме вантажі, які слід відправити у космос, і вивантажуватиме зворотні з орбіти. Частина кільця, що виступає за межі атмосфери, навпаки, здійснює вивантаження у космос та прийом вантажів, які слід доправити на поверхню планети. А оскільки вся структура ніколи не втрачає контакту з поверхнею, її можна постачати енергією прямо із Землі.
Подальша розробка цієї концепції призвела до появи проєкту астроспоруди, що поєднує найкращі аспекти космічного ліфта та орбітального кільця. Суть ідеї полягає в тому, що після створення кільця з нього спускаються троси, що потім використовуються як космічні ліфти. Принципова відмінність від базової версії космічного ліфта — кільце буде на висоті всього 500 км над земною поверхнею, а не 42 000 км. Створення троса такої довжини — у межах можливостей кількох відомих матеріалів.
Інший важливий момент полягає в тому, що частина кільця, яка забезпечує підйомну силу, зовсім не обов’язково повинна бути суцільною і укладеною в тверду оболонку. Натомість на потрібній орбіті можна розмістити велику кількість окремих магнітних об’єктів та спеціальних станцій, які будуть розганяти їх та змінювати траєкторії. Це відкидає необхідність будівництва гігантської естакади вздовж земного екватора, що істотно знижує вартість проєкту. Для запуску елементів кільця на орбіті можна використовувати і традиційні засоби виведення вантажів.
Зображення: solcommand.com
Звичайно, всі описані вище проєкти зараз скидаються на повну фантастику. Для їхньої реалізації недостатньо ресурсів якоїсь однієї країни або навіть групи країн. Вони вимагатимуть спільних зусиль усієї планети. Однак, якщо людству коли-небудь вдасться дістатися стадії створення по-справжньому єдиної цивілізації, воно буде цілком здатне побудувати якусь із цих споруд.
В останній частині циклу статей ми розглянемо споруди справді астрономічного масштабу — сферу Дайсона та зоряну машину.
