«Космос для каждого»: когда построят космический лифт?

Кто из хоть мало-мальски образованных людей не слышал об идее космического лифта? И правильнее даже будет сказать «проекте», ведь Японская компания Обаяси (Obayashi Company) обещает к 2050 году представить работающий космический лифт, а КНР уже к 2045 году.

Вероятно, простой обыватель склонен доверять мнению таких людей, как американский инженер Илон Маск, который в прошлом году выразил сомнения о создании космического лифта. Выступая на конференции в Массачусетском технологическом институте, он сказал: «Это слишком технически сложная задача. Проще соорудить мост между Лос-Анджелесом и Токио, чем построить лифт на орбиту». Однако, кто знает… Скептики никогда не останавливали энтузиастов.

К слову, поводом для возвращения к той теме стала научная статья, опубликованная в журнале Advanced Science, в которой сообщается, что ученые научились получать графен высокого качества из угарного газа. Ведь именно в графене ученые видят решение сверхзадачи космического лифта.

История космического лифта и зачем он нужен

На преодоление земного притяжения во время космических полетов тратится огромное количество ресурсов. Поэтому, причина, по которой привлекательна идея создания космического лифта, банальна – деньги. Космический лифт может снизить стоимость запуска груза в 20 раз.

Есть и лирическая составляющая, как говорит профессор физики Городского колледжа Нью-Йорка, известный футурист и популяризатор науки Мичио Каку, космический лифт – это Святой Грааль освоения космоса. «Представьте, что вы нажимаете кнопку «вверх» и поднимаетесь на лифте в небо. Это могло бы открыть космос для каждого человека», — говорит профессор.

Авторство идеи космического лифта приписывают основоположнику теории космонавтики Константину Циолковскому. В 1895 году, осматривая в Париже новенькую Эйфелеву башню, Циолковский задумался о том, насколько реально было бы построить башню высотой до геостационарной орбиты, чтобы доставлять по ней грузы прямо в космос. В 1959 году российский ученый Юрий Арцутанов предложил идею такого лифта, который приводился бы в движение тросами, устойчивыми к растяжению. В 1975 году появились научные работы с соответствующими расчетами. Ну а тремя годами ранее космический лифт изобрел Петька в детском фильме «Петька в космосе». Да, космический лифт часто встречается в научно-фантастических романах, фильмах и видеоиграх. Больше всего к идее космического лифта, пожалуй, привлек внимание писатель-фантаст Артур Кларк, который, кстати, занимался проблемами космонавтики профессионально. Свои доводы он достаточно убедительно изложил в романе «Фонтаны Рая» ( 1981).

Устройство космического лифта

В современном понимании космический лифт будет состоять из блоков, которые передвигаются вверх и вниз по сверхрочному тросу от космодрома на экваторе до космической станции на геостационарной орбите (то есть орбите Земли над экватором, используемой для искусственных спутников). Длина такого троса — от 42 тыс. до 100 тыс. км. Центробежные силы, вызванные вращением Земли, будут удерживать трос в воздухе. Стоимость проекта оценивают в $10 млрд, при этом доставка грузов подешевеет с $3500 до $25 за 0,45 кг.

Ключевой проблемой, помимо других, остается сам трос. Собрать наземную платформу для космического лифта можно уже сейчас, а вот изготовить трос нужной прочности пока не могут. 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 гексапикселей (ГПа). Ученые, в том числе Каку, считают, что сверхпрочный материал на основе углерода, известный как графен, может быть именно тем материалом, который решит эту задачу.

«Космос для каждого»: когда построят космический лифт? 3

«Космос для каждого»: когда построят космический лифт? 4

Графен

Графен стал эпохальным открытием в современной физике твердого тела и материаловедении. На сегодняшний день он считается самым тонким, прочным и наиболее проводящим материалом на планете Земля как для электричества, так и для тепла. Его предел прочности на растяжение составляет 130 ГПа. Впервые о графене заговорили в 2004 году, когда британские ученые Андрей Гейм и Константин Новоселов опубликовали статью в журнале Science. В 2010-м они получили Нобелевскую премию, а в мире уже во всю был «графитовый бум». Только за 7 лет после вручения премии вышло больше 130 тыс. научных работ, посвященных графену и его свойствам.

С такими уникальными свойствами он может принести пользу во многих отраслях. Сейчас графен успешно применяют в электронике. Самый массовый продукт — это пауэрбанк. Всего в мире зарегистрировано более 50 тыс. патентных заявок с упоминанием графена. Больше половины из них принадлежит Китаю, следом идут Южная Корея, США, Япония и Тайвань. В Китае исследованиями занимаются государственные вузы. В 2013 году здесь создали Инновационный альянс графеновой промышленности, который пророчит Китаю в этой сфере долю в 80% от общемировой. В остальных странах в графен активно вкладываются коммерческие компании. Буквально ежедневно появляются новости о графене. Для интереса, можете полистать новостную ленту портала посвященного графену Graphene-info.

«Космос для каждого»: когда построят космический лифт? 5

Вернемся к лифту

В графене решение задачи космического лифта, однако само решение пока не создали. Все дело в том, что пока не создана технология для производства графена высокой чистоты в промышленных масштабах. И в этом направлении проводится множество исследований. Недавно международная группа ученых предложила уникальную технологию синтеза графена, использующую монооксид углерода (угарный газ) в качестве источника углерода. В статье ученые рассказывают, что новым методом можно сравнительно дешево получить графен высокого качества, пригодный для электронных схем, газовых датчиков, оптики и других применений. При этом, оборудование крайне простое – его можно собрать за менее чем 1000 долларов в «гаражных» условиях. «От взятия голого куска меди до извлечения графена требуется всего 30 минут», — говорит один из авторов исследования из СКОЛТЕХА Андрей Гребенко.

Отметим, что еще в 2016 году гонконгские ученые показали, что для того, чтобы выдержать нагрузки, необходимые для реализации идеи космического лифта, углеродные нанотрубки не должны содержать ни единого дефекта. Малейшее смещение атома будет влиять на свойства прочности. Поэтому результаты ученых о получении качественного графена звучат многообещающе.

В работе приняли участие исследователи из Сколтеха, МФТИ, ИФТТ РАН, Университета Аалто, ВШЭ, ВНИИА им. Духова, Международного физического центра Доностии (Сан-Себастьяна), МИСиС, Свободного университета Берлина, Института исследований твёрдого тела и материалов им. Лейбница, Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения и технологии, Института катализа СО РАН, МИФИ и Ратгерского университета.

Технологии активно развиваются, так что, кто знает, может уже через 30 лет Япония или Китай представят миру космический лифт, в создание которого пока слабо вериться даже ведущих инженеров в освоении космоса.