Космический лифт. Роскошь или средство передвижения?

«Вы обозначили «Ядерный буксир» как наиболее перспективное средство передвижения по Солнечной системе. А какая из придуманных на сегодняшний день технологий наиболее правдоподобна для массового вывода на орбиту грузов и людей? Очевидно, что экология не выдержит и нескольких тысяч запусков тяжелых ракет в год!»

Такой вопрос был задан в комментариях к эфиру на YouTube¹, который провели главный редактор ТрВ-Наука Борис Штерн и популяризатор астрономии и астрофизики Алексей Кудря. Автор вопроса привел три примера орбитального транспорта будущего — это космический лифт, «ОТС инженера Юницкого» (растягивающееся кольцо с ленточными маховиками внутри) и высотный воздушный старт с самолета-носителя. Разобрать идеи — как однозначно осуществимые, так и те, которые сейчас кажутся фантастикой, взялся главный редактор портала «Всё о космосе» Денис Альбин. Начнем с космического лифта.

«Это полная чушь. Я не думаю, что кто-нибудь когда-нибудь вложит достаточно денег в это дело.
Если бы мы потратили те же средства на современное астрономическое оборудование,
то узнали бы гораздо больше о Вселенной…» — Сэр Ричард В. Вули, астроном, 1956 год.

Многих футурологов, поклонников космонавтики и исследователей космического пространства захватывает идея строительства космического лифта — сооружения, с помощью которого можно поднимать грузы в космос без использования ракет. Суть конструкции — в прочном тросе, который натянут от поверхности Земли (или иной планеты или спутника) до станции на геостационарной орбите (ГСО). Один конец троса закреплен на Земле, другой находится в точке выше ГСО, так что конструкция уравновешивается за счет центробежной силы. По тросу вверх движется подъемник, перевозящий груз. Впервые такую концепцию предложил Константин Циолковский еще в 1895 году. Проработанный и технически обоснованный проект создал советский инженер-изобретатель Юрий Арцутанов (1929–2019)². Его памяти посвящен текст в ТрВ-Наука № 271 за 4 февраля 2019 года³. Если Циолковский представлял лифт как жесткую башню, то Арцутанов предложил трос, причем переменной толщины, с противовесом выше ГСО. 31 июля 1960 года в газете «Комсомольская правда» вышла его статья «В космос на электровозе» с описанием идеи. В дальнейшем он не раз возвращался к проекту, уточняя детали и предлагая  варианты: например, «нестационарный лифт», не привязанный к конкретной точке на Земле. В 1967-м Юрий подал заявку на изобретение «Способ запуска космических кораблей и их возвращения на Землю или другую планету». К сожалению, она была отвергнута, но первенство в любом случае осталось за ним…

А в 1979-м за океаном вышел роман «Фонтаны рая» Артура Кларка, в котором великий фантаст тоже описывает космический лифт. С его подачи подобные конструкции весьма прижились в мире научной фантастики. Кстати, Кларк, ознакомившись с публикациями Арцутанова, признал его приоритет, они с Юрием переписывались, а в 1982-м писатель даже гостил у изобретателя в Ленинграде.

Однако дать жизнь космическому лифту на практике оказалось гораздо сложнее, чем в литературе. Хотя нельзя назвать эту идею и совершенно «завиральной», типа лазерного меча или варп-драйва. Над ней работают многие коллективы. Одним из наименее фантастических проектов занимается японская Obayashi Corporation⁴. Компания планирует начать строительство в этом году, а завершить в 2050-м.

«Экономика должна быть экономной», — Л. И. Брежнев, 1981 год.

Предполагается, что космический лифт позволит намного снизить затраты на отправку полезной нагрузки в космос. Строительство космических лифтов обойдется дорого, но их операционные расходы невелики, поэтому разумнее всего использовать их в течение длительного времени для очень больших объемов груза. По оценкам компании Obayashi Corporation, стоимость вывода составит $115/кг. Это выглядит очень привлекательно, ведь сейчас самой дешевой считается программа совместных запусков SpaceX SmallSat Rideshare — 6 500 долл./кг при условии запуска минимум 50 кг. А запуск, например, на Falcon Heavy обходится примерно в 97 млн долл., что при грузоподъемности в 64 т дает цену около 1 515 долл./килограмм. Но это если будут запускаться именно 64 т. Оценочная стоимость вывода грузов на перспективном Starship составит и вовсе 10 долл./кг, но только тогда, когда частота запусков достигнет уровня, обещанного Илоном Маском.

Теперь проведем несложные расчеты, чтобы понять сроки условной окупаемости проекта. Высота геостационарной орбиты — 35 786 км над уровнем моря. Планируемая грузоподъемность лифта — 100 т. Скорость подъема (и, вероятно, спуска) кабины — 200 км/ч. При этом по предварительной оценке Obayashi Corporation стоимость космического лифта составит не менее $100 млрд.

Получим ≈ 3 113 597,76 часов, или примерно 355 лет и 3 месяца. А ведь надо прибавить время на погрузку/разгрузку, на ускорение/торможение, на техобслуживание и прочие простои. В расчетах также не учитываются операционные расходы.

На этом обзор целесообразности строительства космических лифтов, наверное, можно бы было и закончить, но если уж начали разбирать, нужно идти до конца.

«Любая достаточно развитая технология неотличима от магии. Но не всякая магия полезна» —
Артур Кларк, 1962 год

Строительство орбитальной станции на геостационаре, наземной инфраструктуры, кабины лифта и противовеса технически уже вполне возможно, поэтому разбор этих элементов я пропущу. Главной проблемой остается сам трос.

Для него нужен материал с очень высоким соотношением прочности к плотности. Трос будет оправдан, если его можно будет массово производить с плотностью, как у графита, и прочностью около 65–120 ГПа. Для сравнения, обычная сталь имеет прочность около 1 ГПа, а самые прочные ее виды — не более 5 ГПа, при этом она довольно тяжелая. У более легкого кевлара прочность 2,6–4,1 ГПа, у кварцевого волокна — до 20 ГПа и выше, у алмазных волокон — теоретически немного больше.

Углеродные нанотрубки в теории обладают значительно большей прочностью, чем требуется для космического лифта (более 120 ГПа), но массовое производство и создание из них прочного троса пока находятся в зачаточной стадии. В экспериментах прочность отдельных нанотрубок достигала 52 ГПа, но чаще — от 30 до 50 ГПа. При этом нити, сплетенные из таких трубок, оказываются менее прочными, чем сами нанотрубки.

Еще одна проблема заключается в том, что максимальная длина углеродной нанотрубки без дефектов теоретически может быть достаточно большой, но на практике ограничена существующими методами синтеза и стабильностью структуры. Рекордные длины, полученные в лабораторных условиях, составляют десятки сантиметров, но при этом всегда присутствуют небольшие дефекты.

Также пока остается нерешенной научно-технической задачей надежное и прочное «склеивание» углеродных нанотрубок без существенной потери их механических свойств. На данный момент для «склейки» пытаются применить «химические мостики», «ионную или электронную обработку», а также «полимерные связующие», но все эти методы не дают стабильного результата. А в проекте Obayashi Corporation длина троса составляет 96 тыс. км! Это более чем в два раза превышает окружность Земли!

Есть еще одна проблема. Допустим мы смогли произвести почти 100 тыс. км троса без дефектов, а вывести его на орбиту как? Известно, что трос планируется шириной в 1 м и толщиной с пленку Saran Wrap⁵. Известно, что ее толщина варьируется от 12 до 200 мкм. Я взял по минимуму — 12 — и путем сложных математических вычислений пришел к выводу, что такая бобина (без учета самой катушки) будет иметь массу ≈ 1,5 т, а диаметр ≈ 8,16 м при высоте в 22 м. Откуда взялась высота в 22 м, спросите вы? Это высота предполагаемого увеличенного (extended) обтекателя для особо высоких полезных нагрузок самой большой перспективной системы Starship. И, что важно, эти 22 м включают в себя сужение обтекателя кверху. И что еще важно — при диаметре Starship в 9 м внутренний цилиндрический отсек для полезной нагрузки составляет всего 8 м.

Конечно, SpaceX на заказ смогут соорудить еще более увеличенный обтекатель, но если Starship начнет летать с высокой частотой, то кому нужен будет космический лифт?

«Если бы мы не действовали, то в течение года Иран получил бы ядерную бомбу…» —
Б. Нетаньяху, 2025 г.

Хотя трос из углеродных нанотрубок довольно прочный, он всё же не неуязвим к внешнему воздействию, случайному ли или преднамеренному.

Все мы помним, какой ажиотаж вызвал «руднувшийся» (RUD, Rapid Unscheduled Disassembly — «быстрая незапланированная разборка», жарг., SpaceX) Ship 33 на островах Теркс и Кайкос в Карибском море. Тогда никто не пострадал, и почти не было ущерба. А что случится при разрыве троса? Давайте подсчитаем.

Опять же, путем математических расчетов можно оценить последствия падения троса с разных высот в случае обрыва. Учтем орбитальную скорость на ГСО ≈ 3,07 км/с, скорость вращения Земли на экваторе ≈ 465 м/с (да, наша планета будет ускорять падение троса путем «наматывания» его на себя), ускорение свободного падения ≈ 9,78 м/ с², а также атмосферное торможение ниже ~120 км (это нам в плюс).

На экваторе расположены несколько городов, в том числе Макапа, столица штата Амапа в Бразилии, с населением 442 933 человек на 2022 год. Линия экватора проходит через стадион «Зеран» и памятник «Марко Зеро», что делает город уникальным местом для туристов.

Вряд ли местные жители и туристы обрадуются прилету 57 тонн в тротиловом эквиваленте. Также возможное падение троса не приведет в восторг и обитателей других экваториальных городов и населенных пунктов. Для справки: окружность Земли по экватору составляет примерно 40 075 км, поэтому, если обрыв троса случится на ГСО, то не пострадает лишь малая часть экваториальной зоны. Трос — это не бомба, не метеорит, он будет причинять разрушения почти на всём пути своего падения.

А ведь есть еще кабина лифта и противовес! Про массу кабины ничего неизвестно, поэтому возьмем ее максимальную грузоподъемность — 100 т. Масса противовеса известна — 12 500 тонн! Эти элементы чудо-конструкции при падении нанесут только одиночные удары, но последствия будут куда грандиознее.

Для справки: ядерный взрыв мощностью 1 мегатонна относится к категории термоядерного оружия, которое имеет гораздо бо́льшую разрушительную силу по сравнению с атомным. Так что падению этих элементов уже точно никто не обрадуется.

По этой причине лично я на месте главы какой-либо экваториальной страны принял бы все меры, чтобы строительство такого мегасооружения, как космический лифт, не состоялось бы. Буквально все меры…

«Что мы имеем с гуся?» —
старая русская поговорка.

С учетом того, что стоимость вывода на орбиту продолжает снижаться, а целесообразность строительства космического лифта сомнительна не только с технической и экономической, но и с политической точки зрения, считаю данную технологию бесперспективной и имеющей право на существование только в научно-фантастических произведениях. Все эти разговоры о якобы большей экологичности космического лифта по сравнению с обычными ракетами нацелены, на мой взгляд, лишь на привлечение внимания и инвестиций со стороны «зеленой» части общества. А ущерб экологии при аварии лифта будет гораздо масштабнее, чем при авариях ракет. Но человечество всегда питало слабость к масштабным затеям, поэтому про космический лифт, как и про другие подобные мегапроекты, мы услышим еще не раз.

¹ youtu.be/C2kgR1ocGos

² vokrugsveta.ru/vs/article/2989

³ www.trv-science.ru/2019/01/otec-kosmicheskogo-lifta

⁴ obayashi.co.jp/en/special/space_elevator.html

⁵ Американское маркетинговое название упаковочной пищевой пленки.