Особенности национального часть 82

Особенности национального часть 82

Однажды в далеком будущем наступит наш последний спокойный день на Земле. Когда-нибудь, через миллиарды лет, небо вспыхнет огнем. Солнце вспухнет пламенным шаром, бушующий ад заполнит небеса. Температура на Земле резко подскочит, океаны вскипят и испарятся, оставив после себя обугленную иссохшую пустыню. Горы постепенно расплавятся и потекут потоками лавы по тем местам, где когда-то стояли полные жизни города.
Законы природы говорят нам, что этот мрачный сценарий — наше неизбежное будущее. Когда-нибудь Земля погибнет в пламени и будет поглощена Солнцем. Это закон природы.
Катастрофа произойдет в течение ближайших 5 млрд лет. В этом космическом масштабе расцвет и падение человеческих цивилизаций кажется крохотной рябью на поверхности океана времени. Когда-нибудь мы должны будем покинуть Землю или умереть. И когда условия на Земле станут невыносимыми, человечеству, нашим потомкам, придется что-то предпринимать. Что?
Математик и философ Бертран Расселл однажды посетовал, «что ни огонь, ни героизм, ни сила мысли или чувства не могут сохранить жизнь после могилы; что все труды веков, вся преданность, все вдохновение, вся полуденная яркость человеческого гения обречены на гибель в гигантском пожаре Солнечной системы; и весь храм достижений Человека с неизбежностью будет погребен под развалинами Вселенной...».
Для меня его слова — одно из самых отрезвляющих высказываний. Но Расселл писал в те времена, когда ракетные корабли считались невозможными. Сегодня перспектива когда-нибудь покинуть Землю уже не кажется столь фантастической. Карл Саган как-то заметил, что нам следовало бы стать «двупланетным видом». Жизнь на Земле столь драгоценна, сказал он, что ее следовало бы распространить по крайней мере еще на одну планету — на случай катастрофы. Земля движется в «космическом тире», полном астероидов, комет и других обломков, дрейфующих недалеко от ее орбиты. Столкновение с любым из них может привести к гибели человечества.

Грядущие катастрофы

Поэт Роберт Фрост задавался вопросом: каким образом погибнет Земля, в пламени или во льду? Мы, зная законы природы, можем уверенно предположить, каким будет конец мира в случае естественной катастрофы.
Если говорить о тысячелетиях, то одной из опасностей, угрожающих нашей цивилизации, является наступление нового ледникового периода. Последний такой период закончился 10 000 лет назад. Еще через 10-20 тыс. лет, когда наступит следующий, большая часть Северной Америки может оказаться под километровым слоем льда. Расцвет человеческой цивилизации приходится на нынешнее недолгое межледниковье, когда климат на Земле стоит необычайно теплый, но такая ситуация не может продолжаться вечно.
Если говорить о миллионах лет, то катастрофический эффект может принести столкновение с Землей какого-нибудь крупного метеорита или кометы. Последнее подобное столкновение имело место 65 млн лет назад, когда на полуостров Юкатан в Мексике обрушился объект примерно Юкмвпоперечнике. На месте падения возник кратер диаметром около 300 км. Результатом его стало вымирание динозавров — доминировавшей в то время на Земле формы жизни. В этом масштабе времени еще одно космическое столкновение представляется вполне вероятным.
Через несколько миллиардов лет Солнце, постепенно расширяясь, поглотит Землю. Более того, по нашим оценкам, за ближайший миллиард лет Солнце разогреется примерно на 10% и сожжет Землю. Через 5 млрд лет Солнце превратится в красный гигант и в процессе этой эволюции полностью поглотит нашу планету. Земля окажется внутри атмосферы звезды.
Через 10 млрд лет погибнут и Солнце, и галактика Млечный Путь. Наше Солнце, исчерпав наконец запасы водородно-гелиевого топлива, сожмется и превратится в крохотный белый карлик; постепенно звезда остынет, и со временем от нее в космической пустоте останется только черный ком ядерного шлака. Галактика Млечный Путь столкнется с соседней, гораздо более крупной, галактикой — Туманностью Андромеды. Спиральные рукава Млечного Пути будут оторваны, и наше Солнце, вполне возможно, будет вышвырнуто в пустоту космоса. Черные дыры в центрах обеих галактик, сплясав танец смерти, в конце концов столкнутся и сольются воедино.
Итак, установлено, что человечество должно когда-нибудь покинуть Солнечную систему и переселиться к соседним звездам или погибнуть. Остается вопрос: как туда попасть? До ближайшей к нам звезды, Альфы Центавра, больше 4 св. лет. Традиционные ракеты с химическими реактивными двигателями, рабочие лошадки нынешней космической программы, с трудом развивают скорость до 18 км/с. С этой скоростью лететь до ближайшей звезды пришлось бы 70 000 лет.
Анализируя космическую программу, нельзя не отметить, что между нашими сегодняшними возможностями и характеристиками настоящего звездолета, который позволил бы нам начать исследование Вселенной, существует громадная пропасть. После того как в начале 1970-х гг. закончилось исследование Луны, наша пилотируемая программа предусматривала работу астронавтов на орбитах не выше 500-600 км на шаттлах и Международной космической станции. Однако в 2010 г. NASA планирует прекратить полеты шаттлов и создать вместо них космический корабль «Орион»; этот же корабль должен будет к 2020 г. снова — после полувекового перерыва — доставить астронавтов на Луну. Планируется организовать на Луне постоянную обитаемую базу. После этого, возможно, будет отправлена пилотируемая экспедиция к Марсу.
Очевидно, если мы хотим когда-нибудь добраться до звезд, нам потребуются ракеты совершенно иного типа. Необходимо радикально увеличить либо тягу наших двигателей, либо время их работы. К примеру, крупная ракета с химическими двигателями может обладать тягой в несколько тысяч тонн, но работать она будет всего несколько минут. И наоборот, ракета с двигателем другого типа, например ионным (он будет описан чуть ниже), хотя и обладает небольшой тягой, зато работать в открытом космосе способна годами. Там, где речь идет о ракетах, черепаха всегда обгонит зайца.

Ионные и плазменные двигатели

В отличие от химических реактивных двигателей, ионные не производят внезапного и очень эффектного выброса раскаленных газов, которые, собственно, и толкают традиционные ракеты. Их тяга обычно измеряется не в тоннах, а в граммах. Если такой двигатель на Земле положить на стол, у него не хватит сил сдвинуться с места. Но все, что эти двигатели недобирают в тяге, они более чем компенсируют продолжительностью работы; в вакууме открытого космоса они способны работать годами .
Типичный ионный двигатель напоминает внутренность телевизионной трубки — кинескопа. Электрический ток разогревает нить, которая, в свою очередь, создает поток ионизированных атомов, например, ксенона, которые затем выбрасываются через сопло. Вместо струи раскаленного, взрывного газа ионный двигатель выбрасывает слабый, но постоянный поток ионов.
В 1998 г. NASA провело успешный запуск зонда «Дип Спейс-1» с ионным двигателем NSTAR на борту; этот двигатель проработал в общей сложности 678 суток, установив тем самым новый рекорд. Европейское космическое агентство также провело испытания ионного двигателя на борту лунного аппарата SMART-1. На японском космическом зонде «Хаябуса», который сблизился с астероидом, произвел посадку на него и забор грунта, работали четыре ксеноновых ионных двигателя. Вообще, ионный двигатель по характеристикам выглядит не блестяще, но способен обслуживать дальние (и не слишком спешные) экспедиции к другим планетам. Возможно, когда-нибудь ионный двигатель станет непритязательной рабочей лошадкой межпланетного транспорта.
Плазменный двигатель представляет собой более мощную версию ионного. В качестве примера такого двигателя можно назвать VASIMR (variable specific impulse magnetoplasma rocket — магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом); для разгона в космосе в нем используется мощный поток плазмы. Этот двигатель разработан астронавтом и инженером Франклином Чанг-Диасом. Водород в нем разогревается до температуры в несколько миллионов градусов при помощи радиоволн и магнитных полей. Очень горячая плазма выбрасывается затем через сопло ракеты, развивая при этом значительную тягу. На Земле прототипы таких двигателей уже созданы и испытаны, но в космос ни один из них еще не летал. Некоторые инженеры надеются, что плазменный двигатель можно будет использовать при создании корабля для экспедиции на Марс; это позволило бы существенно, до нескольких месяцев, сократить время в пути. Некоторые разработки предлагают использовать для разогрева плазмы в двигателе солнечную энергию. Другие предполагают использовать энергию ядерного распада (при этом, естественно, возникают дополнительные проблемы безопасности — ведь придется отправлять в космос большое количество ядерных материалов, а космические аппараты подвержены всяческим случайностям).
Но ни у ионного, ни у плазменного двигателя не хватит сил, чтобы доставить нас к звездам. Для этого потребуются реактивные двигатели, основанные на совершенно иных принципах. Одна из серьезных проблем при разработке звездолета — это чудовищное количество топлива, необходимое для путешествия даже к ближайшей звезде, и большой промежуток времени, который потребуется на это путешествие.

Солнечные паруса

Солнечный парус — идея, которая могла бы решить многие проблемы. В основе ее лежит тот факт, что солнечный свет оказывает очень небольшое, но постоянное давление, достаточное для того, чтобы нести сквозь пространство громадный парус. Идея солнечного паруса не нова, она принадлежит великому астроному Иоганну Кеплеру и изложена впервые в его трактате «Сон» 1611 г.
Идея базируется на достаточно простых законах, но разработка реального солнечного паруса, который можно было бы запустить в космос, шла медленно и как будто рывками. В 2004 г. японская ракета успешно доставила в космос два небольших экспериментальных солнечных паруса. В 2005 г. Планетарное общество, компания «Космос Студиос» и Российская академия наук запустили с подводной лодки в Баренцевом море космический парус «Космос-1»; к несчастью, ракета «Волна», на которой он находился, дала сбой и аппарат не вышел на орбиту. (Предыдущая попытка запустить суборбитальный парус в 2001 г. также потерпела неудачу.) В феврале 2006 г. японская ракета M-V успешно вывела на орбиту пятнадцатиметровый парус, но раскрылся он не полностью .
Исследования и эксперименты в области создания солнечного паруса продвигаются ужасно медленно, но его сторонники уже предложили новую идею, которая могла бы приблизить человека к звездам. Предлагается построить на Луне громадную батарею лазеров, которые пускали бы мощные лучи в солнечный парус; это позволило бы ему долететь до ближайшей звезды. Параметры межзвездного солнечного паруса просто пугают. Сам парус должен составлять несколько сотен километров в поперечнике, а сооружать его нужно непременно и полностью в открытом космосе. На Луне пришлось бы построить тысячи мощных лазеров, способных работать годами и даже десятилетиями. (По одной из оценок, каждый из таких лазеров должен в тысячу раз превосходить по мощности излучения всю сегодняшнюю планету Земля.)
Теоретически гигантский солнечный парус может развить скорость до половины скорости света. Кораблю с таким парусом на дорогу до ближайших звезд потребовалось бы всего около восьми лет. Движитель на этом принципе хорош еще и тем, что все его принципы уже известны. Доя его создания не требуется открывать новых физических законов. Зато в полный рост встают другие проблемы — и экономические, и технические. Сооружение паруса поперечником в несколько сотен километров, а также строительство на Луне тысяч мощных лазеров представляют собой очень серьезную инженерную проблему — и необходимые для реализации проекта технологии появятся, возможно, еще не скоро. (Главная проблема межзвездного солнечного паруса — возвращение назад. Чтобы привести корабль обратно к Земле, придется строить на луне у звезды-цели вторую батарею лазеров. Или совершить около этой звезды стремительный гравитационный маневр, который поможет набрать скорость для обратного пути. Тогда лазеры на Луне можно будет использовать для торможения паруса, чтобы корабль мог спокойно сесть на Землю.)

Прямоточный термоядерный двигатель

Лично мне самым перспективным движителем для путешествия к звездам представляется прямоточный термоядерный двигатель. Во Вселенной больше чем достаточно водорода, так что корабль с таким двигателем мог бы собирать водород—т. е. топливо — по пути, в процессе движения в открытом космосе. По существу, у такого двигателя был бы неистощимый и всегда доступный источник топлива. Собранный водород затем нагревался бы до нескольких миллионов градусов — достаточно для термоядерного синтеза — и высвобождал энергию.
Принцип прямоточного ядерного двигателя предложил в 1960 г. физик Роберт Буссард; позже его популяризацией занимался и Карл Саган. Буссард рассчитал, что прямоточный термоядерный двигатель весом около 1000 т мог бы теоретически поддерживать постоянное ускорение, равное 1 g, т.е. сравнимое с действием земной силы тяжести. Представим, что такое ускорение поддерживается в течение года. За это время корабль разгонится до 77% скорости света; этого уже вполне достаточно, чтобы всерьез рассматривать перспективы межзвездных путешествий.
1
испытали в вертикальном, а не в горизонтальном положении. В 1968 г. он был запущен на стенде соплом кверху.
Результаты этих исследований оказались весьма спорными. Ракеты получались чрезвычайно сложными, и испытания часто заканчивались неудачей. В ядерном двигателе возникали очень сильные вибрации, оболочки тепловыделяющих сборок лопались, и ракета разваливалась. Другой постоянной проблемой была коррозия из-за горения водорода при высокой температуре. В конце концов в 1972 г. ядерная ракетная программа была закрыта.
(У этих атомных ракет была и еще одна проблема: опасность начала самопроизвольной ядерной реакции, что было бы эквивалентно взрыву небольшой атомной бомбы. На атомных электростанциях сегодня ядерное топливо присутствует в небольшой концентрации, и они не могут взорваться подобно хиросимской бомбе. А вот ядерные ракетные двигатели для получения максимальной тяги работали на высокообогащенном уране, и потому в них могла в принципе возникнуть цепная реакция и, соответственно, атомный взрыв. Перед самым закрытием программы ученые решили провести еще одно, последнее испытание — попытаться взорвать ракету как атомную бомбу. Они удалили из реактора все управляющие стержни, которые помогают удерживать реакцию под контролем. Реактор послушно перешел в сверхкритичное состояние и взорвался яростным огненным шаром. Этот впечатляющий конец программы по разработке ядерных ракетных двигателей даже засняли на пленку. Русские были недовольны. Они сочли эту выходку нарушением Договора о частичном запрещении ядерных испытаний, согласно которому все взрывы атомных бомб, за исключением подземных, находились под запретом.)
Время от времени военные возвращаются к идее ядерной ракеты. Один из секретных проектов такого рода назывался «Тимбервинд» и был в 1980-х гг. частью военной программы «звездных войн». (От него отказались после того, как Федерация американских ученых опубликовала информацию о его существовании.)
Главная проблема ядерных ракетных двигателей — безопасность. Даже теперь, через полвека после начала космической эры, запуски ракет на химическом топливе иногда (примерно в 1% случаев) заканчиваются катастрофически. (Гибель космических челноков «Челленджер» и «Колумбия», на которых нашли свою смерть 14 астронавтов, также подтверждает эту статистку аварий.)
Тем не менее несколько лет назад NASA возобновило исследования по ядерной ракете — впервые после программы NERVA 1960-х. В 2003 г. NASA окрестило свой новый проект «Прометеем» в честь греческого бога, давшего человечеству огонь. В 2005 г. на программу «Прометей» было выделено 430 млн долл., но уже в 2006 г. финансирование было урезано до 100 млн долл. В настоящий момент будущее этого проекта неясно .
Особенности национального часть 83

Импульсный ядерный двигатель

Еще одна теоретическая возможность — использовать в качестве движителя серию ядерных мини-бомб. К примеру, проект «Орион» предусматривал последовательное выбрасывание небольших термоядерных бомб позади корабля, чтобы он мог «оседлать» ударную волну от их взрывов. Теоретически такая система может разогнать космический корабль до скорости, близкой к скорости света. Идею такого корабля впервые высказал в 1947 г. Станислав Улам, который участвовал и в разработке первых водородных бомб; позже ее развили Тед Тейлор, один из главных разработчиков ядерных боеголовок для американских военных, и физик Фримен Дайсон из Института перспективных исследований в Принстоне.
В конце 1950-х и в 1960-х гг. были проведены тщательные расчеты для межзвездного корабля, основанного на этом принципе. Согласно полученным оценкам, он мог бы за год слетать до Плутона и обратно, достигнув при этом скорости в 10% скорости света . Но даже на такой скорости до ближайшей звезды пришлось бы лететь 44 года. Ученые рассматривали варианты, когда космический ковчег с таким движителем летел бы в космосе несколько столетий; в экипаже сменялись бы поколения, и многим пришлось бы прожить всю жизнь в этом движущемся мирке, чтобы их потомки могли добраться до близлежащих звезд.
В 1959 г. компания General Atomics выпустила доклад, в котором провела оценку размеров корабля типа «Орион». Самый крупный вариант, названный в докладе «супер-Орионом», должен был весить 8 млн т, иметь диаметр 400 м и двигаться на ударной волне от более чем тысячи водородных бомб.
Главная проблема, связанная с этим проектом, — возможность заражения района старта ядерными осадками. По оценке Дайсона, ядерные осадки от каждого запуска могут вызвать смертельную форму рака у десяти человек. Кроме того, электромагнитный импульс от взрыва так велик, что непременно вызвал бы массу коротких замыканий в расположенных неподалеку электрических системах.
Подписание в 1963 г. Договора о частичном запрещении ядерных испытаний стало похоронным звоном по этому проекту. Со временем сдался даже главный его сторонник, разработчик ядерных бомб Тед Тейлор. (Он однажды признался мне, что окончательно разочаровался в проекте, когда понял, что техническими наработками подобного проекта могут воспользоваться террористы для создания портативных атомных бомб.
Проект был закрыт как слишком опасный, но его имя продолжает жить в названии космического корабля «Орион», которым NASA планирует в 2015 г. заменить космические челноки.)
В 1973-1978 гг. концепция звездолета с ядерным движителем ненадолго возродилась в проекте «Дедал» Британского межпланетного общества. Проект представлял собой предварительное исследование возможности постройки беспилотного корабля, способного достичь звезды Барнарда — ее отделяет от Земли расстояние в 5,9 св. года. (Звезда Барнарда была выбрана в качестве цели потому, что предполагалось наличие возле нее планеты. С тех пор астрономы Джил Тартер и Маргарет Тёрнбулл составили список из 17129 не слишком далеких звезд, возле которых могут оказаться пригодные для жизни планеты. Самый многообещающий кандидат — эпсилон Индейца А — находится от нас на расстоянии 11,8 св. года.)
Ракетный корабль по проекту «Дедал» оказался таким громадным, что строить его пришлось бы в открытом космосе. Она должна была весить 54 000 т (почти весь вес — ракетное топливо) и могла разогнаться до 7,1% скорости света, неся на себе полезную нагрузку весом 450 т. В отличие от проекта «Орион», рассчитанного на использование крохотных атомных бомб, проект «Дедал» предусматривал использование миниатюрных водородных бомб со смесью дейтерия и гелия-3 и системой зажигания при помощи электронных лучей. Но огромные технические проблемы и опасения, связанные с ядерным движителем, привели к тому, что проект «Дедал» также был отложен на неопределенное время.

Удельный импульс и эффективность двигателя

Если нужно сравнить эффективность различных типов двигателей, инженеры обычно говорят об удельном импульсе. Удельный импульс определяется как изменение импульса на единицу массы израсходованного топлива. Таким образом, чем эффективнее двигатель, тем меньше топлива требуется для вывода ракеты в космос. Импульс, в свою очередь, есть результат действия силы в течение определенного времени. Химические ракеты, хотя и обладают очень большой тягой, работают всего несколько минут, а потому характеризуются очень низким удельным импульсом. Ионные двигатели, способные работать годами, могут иметь высокий удельный импульс при очень низкой тяге.
Удельный импульс измеряется в секундах. Средняя ракета с химическим двигателем может иметь удельный импульс до 400-500 с. Так, удельный импульс двигателя шаттла составляет 453 с. (Самый высокий полученный до сих пор удельный импульс для химического реактивного двигателя составил 542 с; в качестве топлива этот двигатель использовал экзотическую смесь водорода, лития и фтора.) Ионный движок аппарата SMART-1 имел удельный импульс 1640 с. У ядерных ракетных двигателей этот параметр достигает 850 с.
Максимально возможным удельным импульсом обладала бы ракета, способная достигать скорости света. Ее удельный импульс составил бы около 30 млн. Ниже приводится таблица удельных импульсов, характерных для различных типов реактивных двигателей.
Тип двигателя (Удельный импульс)
Твердотопливный (250)
Жидкостный (450)
Ионный (3000)
Плазменный VASIMR (1000-30 000)
Атомный (800-1000)
Термоядерный прямоточный (2500-200 000)
Ядерный импульсный (10 000-1 000 000)
На антиматерии (1 000 000-10 000 000)
(В принципе, лазерный парус и прямоточный двигатель вообще не несут с собой запаса топлива, а потому удельный импульс не является для них существенной характеристикой; тем не менее у этих конструкций есть свои проблемы.)

Космический лифт

Одно из серьезных препятствий к реализации многих звездных проектов состоит в том, что из-за громадных размеров и веса корабли невозможно построить на Земле. Некоторые ученые предлагают собирать их в открытом космосе, где благодаря невесомости астронавты смогут легко поднимать и ворочать невероятно тяжелые предметы. Но сегодня критики справедливо указывают на запредельную стоимость космической сборки. К примеру, для полной сборки Международной космической станции потребуется около 50 запусков шаттла, а ее стоимость с учетом этих полетов приближается к 100 млрд долл. Это самый дорогой научный проект в истории, но строительство в открытом космосе межзвездного космического парусника или корабля с прямоточной воронкой обошлось бы во много раз дороже.
Но, как любил говорить писатель-фантаст Роберт Хайнлайн, если вы можете подняться над Землей на 160 км, вы уже на полпути к любой точке Солнечной системы. Это потому, что при любом запуске первые 160 км, когда ракета стремится вырваться из пут земного притяжения, «съедают» львиную долю стоимости. После этого корабль, можно сказать, уже в состоянии добраться хоть до Плутона, хоть дальше.
Один из способов кардинально сократить в будущем стоимость полетов — построить космический лифт. Идея забраться на небо по веревке не нова — взять хотя бы сказку «Джек и бобовое зернышко»; сказка сказкой, но если вывести конец веревки в космос, идея вполне могла бы воплотиться в реальность. В этом случае центробежной силы вращения Земли оказалось бы достаточно, чтобы нейтрализовать силу тяжести, и веревка никогда не упала бы на землю. Она волшебным образом поднималась бы вертикально вверх и исчезала в облаках.
(Представьте себе шарик, который вы крутите на веревочке. Кажется, что на шарик не действует сила тяжести; дело в том, что центробежная сила толкает его прочь от центра вращения. Точно так же очень длинная веревка может висеть в воздухе благодаря вращению Земли.) Держать веревку не потребуется, вращения Земли будет достаточно. Теоретически человек мог бы залезть по такой веревке и подняться прямо в космос. Иногда мы просим студентов-физиков рассчитать натяжение такой веревки. Несложно показать, что такого натяжения не выдержит даже стальной трос; именно поэтому долгое время считалось, что космический лифт реализовать невозможно.
Первым из ученых, кто всерьез заинтересовался проблемой космического лифта, стал русский ученый-провидец Константин Циолковский. В 1895 г. под впечатлением от Эйфелевой башни он вообразил башню, которая бы поднималась прямо в космическое пространство и соединяла Землю с парящим в космосе «звездным замком». Строить ее предполагалось снизу вверх, начиная с Земли, откуда инженеры должны были бы медленно возводить к небесам космический лифт.
В 1957 г. русский ученый Юрий Арцутанов предложил новое решение: строить космический лифт обратным порядком, сверху вниз, начиная из космоса. Автор представил себе спутник на геостационарной орбите на расстоянии 36 000 км от Земли — с Земли он при этом будет казаться неподвижным; с этого спутника предлагалось опустить на Землю трос, а затем закрепить его в нижней точке. Проблема в том, что трос для космического лифта должен был бы выдерживать натяжение примерно в 60-100 ГПа. Сталь рвется при натяжении примерно в 2 ГПа, что лишает идею всякого смысла.
Более широкая аудитория смогла познакомиться с идеей космического лифта позже; в 1979 г. вышел роман Артура Кларка «Фонтаны рая», а в 1982 г. — роман Роберта Хайнлайна «Пятница». Но поскольку прогресс в этом направлении застопорился, о ней забыли.
Ситуация резко изменилась, когда химики изобрели углеродные нанотрубки. Интерес к ним резко возрос после публикации в 1991 г. работы Сумио Иидзимы из компании Nippon Electric. (Надо сказать, что о существовании углеродных нано-трубок было известно еще с 1950-х гг., но долгое время на них не обращали внимания.) Нанотрубки гораздо прочнее, но при этом гораздо легче стальных тросов. Строго говоря, по прочности они даже превосходят уровень, необходимый для космического лифта. По мнению ученых, волокно из углеродных нанотрубок должно выдерживать давление 120 ГПа, что заметно выше необходимого минимума. После этого открытия попытки создания космического лифта возобновились с новой силой.
Б 1999 г. было опубликовано серьезное исследование NASA; в нем рассматривался космический лифт в виде ленты шириной примерно один метр и длиной около 47 000 км, способный доставить на орбиту вокруг Земли полезный груз весом около 15 т. Реализация подобного проекта мгновенно и полностью изменила бы экономическую сторону космических путешествий. Стоимость доставки грузов на орбиту разом уменьшилась бы в 10 000 раз; такую перемену иначе как революционной не назовешь.
В настоящее время доставка одного фунта груза на околоземную орбиту стоит не меньше 10 000 долл. Так, каждый полет шаттла обходится примерно в 700 млн долл. Космический лифт сбил бы стоимость доставки до 1 долл. за фунт. Такое радикальное удешевление космической программы могло бы полностью изменить наши взгляды на космические путешествия. Простым нажатием кнопки можно было бы запустить лифт и подняться в открытый космос за сумму, соответствующую по стоимости, скажем, билету на самолет.
Но, прежде чем строить космический лифт, на котором можно будет без труда подняться в небеса, нам предстоит преодолеть очень серьезные препятствия. В настоящее время самое длинное волокно из углеродных нанотрубок, полученное в лаборатории, по длине не превосходит 15 мм. Для космического лифта потребуются тросы из нанотрубок длиной в тысячи километров. Конечно, с научной точки зрения это чисто техническая проблема, но решить ее необходимо, а она может оказаться упрямой и сложной. Тем не менее многие ученые убеждены, что на овладение технологией производства длинных тросов из углеродных нанотрубок нам хватит нескольких десятилетий.
Вторая проблема заключается в том, что из-за микроскопических нарушений структуры углеродных нанотрубок получение длинных тросов может оказаться вообще проблематичным. По оценке Никола Пуньо из Туринского политехнического института, если хотя бы один атом в углеродной нанотрубке окажется не на своем месте, прочность трубки может сразу уменьшиться на 30%. В целом дефекты на атомном уровне могут лишить трос из нанотрубок 70% прочности; при этом допустимая нагрузка окажется ниже того минимума гигапаскалей, без которых невозможно построить космический лифт.
Стремясь подстегнуть интерес частных предпринимателей к разработке космического лифта, NASA объявило два отдельных конкурса. (За образец был взят конкурс Ansari X-Prize с призом в 10 млн долл. Конкурс успешно подогрел интерес предприимчивых инвесторов к созданию коммерческих ракет, способных поднимать пассажиров к самой границе космического пространства; объявленную премию получил в 2004 г. корабль SpaceShipOne. Конкурсы NASA носят названия Beam Power Challenge и Tether Challenge.
Чтобы выиграть первый из них, команда исследователей должна создать механическое устройство, способное поднять груз весом не менее 25 кг (включая собственный вес) вверх по тросу (подвешенному, скажем, на стреле подъемного крана) со скоростью 1 м/с на высоту 50 м. Возможно, задача кажется несложной, но проблема в том, что это устройство не должно использовать топливо, аккумуляторы или электрический кабель. Вместо этого робот-подъемник должен получать питание от солнечных батарей, солнечных рефлекторов, лазеров или микроволнового излучения, т. е. из тех источников энергии, которыми удобно пользоваться в космосе.
Чтобы победить в конкурсе Tether Challenge, команда должна представить двухметровые куски троса весом не более двух граммов каждый; при этом такой трос должен выдерживать нагрузку на 50% большую, чем лучший образец предыдущего года. Цель этого конкурса —стимулировать исследования по разработке сверхлегких материалов, достаточно прочных, чтобы их можно было протянуть на 100 000 км в космос. Победителей ждут премии размером 150 000,40 000 и 10 000 долл. (Чтобы подчеркнуть сложность задачи, в 2005 г. — первом году конкурса — премия не была присуждена никому.)
Безусловно, работающий космический лифт способен резко изменить космическую программу, но и у него есть свои недостатки. Так, траектория движения спутников по околоземной орбите постоянно сдвигается относительно Земли (потому что Земля под ними вращается). Это означает, что со временем любой из спутников может столкнуться с космическим лифтом на скорости 8 км/с; этого будет более чем достаточно, чтобы порвать трос. Для предотвращения подобной катастрофы в будущем придется либо предусматривать на каждом спутнике небольшие ракеты, которые дали бы ему возможность обойти лифт, либо снабдить сам трос небольшими ракетами, чтобы он мог уходить с траектории спутников.
Кроме того, проблемой могут стать столкновения с микрометеоритами — ведь космический лифт поднимется далеко за пределы земной атмосферы, которая в большинстве случаев защищает нас от метеоров. Поскольку предсказать подобные столкновения невозможно, космический лифт придется снабдить дополнительной защитой и, возможно, даже отказоустойчивыми резервными системами. Проблему могут представлять собой и такие атмосферные явления, как ураганы, приливные волны и штормы.