На высоте примерно 120 км от поверхности Земли открывается бескрайняя космическая бездна. Попасть туда в наши дни можно лишь одним способом – развив с помощью вертикально движущегося летательного аппарата скорость, как минимум, 7,91 км/с. А раньше вскарабкаться туда же хотели… по тросам.
Фото: MARVEL Disney
Высотка vs Реактивность: кто кого?Что нужно сделать, чтобы взобраться на площадку, возвышающуюся, скажем, на два метра от уровня земли? Чемпиону мира по прыжкам в высоту достаточно просто как следует разбежаться и заскочить. А среднестатистическому человеку все же придется воспользоваться стремянкой или лестницей. Результат будет в обоих случаях одинаковым – попадание на двухметровую высоту.
По аналогии с этим возможны лишь два пути выхода в открытый космос. Путь первый – прыжок одним рывком на сверхскоростном транспортном средстве. Путь второй – медленное «залезание» по лестнице в космос. Мы, современные, понимаем, насколько более правильным оказался первый способ. Но каких-нибудь сто лет назад все искали космическую лестницу. Тогда не было очевидно, можно ли вообще развить космическую скорость, и утопичными виделись полеты в космос, а не высокие конструкции, выходящие далеко за пределы стратосферы.
Простой калужский учитель физики Константин Эдуардович Циолковский работал над расчетом скорости, минимально необходимой для выхода в открытый космос. На протяжении 20 лет его труды не приносили результатов. Над чудаковатым педагогом посмеивались, считая все его изыскания выдумками писателя-фантаста средней руки. Но в 1903 году в журнале «Научное обозрение» вышла статья Циолковского «Исследование мировых пространств реактивными приборами». Вывод ее был таков: выйти в космос способна только ракета, движущаяся по строго определенной траектории и со строго необходимой скоростью. Больше никакое техническое приспособление к такому рывку не адаптировано.
Дело в том, что любому транспортному средству нужна среда, от которой можно отталкиваться при движении. Лошадь, пешеход или автомобиль перемещаются, отталкиваясь от земли ногами или колесами. Корабль, пароход, теплоход, лодка отталкиваются от толщи воды. Самолет, дельтаплан, дирижабль, воздушный шар – от воздуха. В космосе же материя существенно разрежена, и при движении не на что опереться, не от чего оттолкнуться. Поэтому-то объекты, находящиеся в невесомости, и становятся неуправляемыми. В связи с этим любой проект агрегата, подразумевающий внешнюю опору, по определению обречен на фиаско. Будь то самолет, вертолет, лифт, лестница, гигантская стремянка или что-нибудь еще в этом роде. К космолету должны предъявляться радикально иные требования. Из всех транспортных средств только ракета имеет в себе достаточную энергию для перемещения на экстремальные расстояния. А еще только она содержит в самой себе опорную массу, практически не зависящую от внешней среды. Ракета, получается, отталкивается в движении сама от себя – и одновременно от окружающей среды. Сгорающее внутри «снаряда» топливо создает мощнейшую реактивную струю газов, которая и позволяет проталкиваться сквозь космическую невесомость.
Достижения Циолковского признали, вручив ученому не очень-то высокую для подобного случая награду – орден Трудового Красного знамени. Стало в общих чертах понятно, каким образом будет развиваться космическая техника. Однако сторонникам космических путешествий по тросам и башням еще долго находилось что возразить.
От Вавилонской башни к электровозуОтстроить хоромы от земли до неба люди мечтали с глубокой древности. В качестве условного космического лифта можно рассматривать Вавилонскую башню. Ту самую, из-за которой бог разозлился на людей и прекратил строительство, разобщив трудяг-рабочих по языковому и культурному признакам. Многие считают эту историю библейской выдумкой, но авторы некоторых исследований уверены, что грандиозное строительство действительно проводилось. Ярым сторонником концепции Вавилонской башни как космического лифта стал американский писатель Захария Ситчин (Zecharia Sitchin). Свою позицию он подтверждал буквальным толкованием Библии и весьма расширительным толкованием сюжетов, отображенных на шумерских глиняных табличках. «Город и башня высотою до небес» – это сочные художественные образы? А может, наши далекие предки на самом деле хотели залезть в космос по башне? Подлинную правду мы, похоже, уже не узнаем.
Основа ракеты хранится под землей, в искусственной шахте, построенной из трубчатых сегментов и украшенной шкурами леопарда», — пишет Захария в своей книге «Двенадцатая планета». nuwaupianism.com
Аналогичный миф существует в Замбии. Согласно ему, человек по имени Камону стремился во всем подражать верховному божеству и однажды вознамерился построить бревенчатое здание до самых небес. Постройка рухнула и рассыпалась. Восточные легенды тоже описывают космические лифты – и всякий раз эти чудеса техники даруются только избранным, за особые заслуги. Лестницу, связывавшую землю с небом и небо с землей, увидел во сне библейский пророк Иаков. Будда Шакьямуни получил такую лестницу в дар от Брахмы и Индры – и с той поры персонально ему, Будде, предоставлена возможность путешествовать в космос и обратно.
В конце прагматичного XIX столетия некоторые авторы были уверены, что полеты за пределы стратосферы – на каком бы то ни было летательном аппарате – мало реальны. Никаких нефтяных запасов на подобные одиссеи не хватит, а о нынешнем ракетном топливе в те годы и подумать не могли. К тому же к точному расчету космической скорости никто в то время даже не приблизился. Даже после выхода статьи Циолковского многие продолжали сомневаться в осуществимости столь авантюрной затеи. Ведь одно дело – рассчитать на бумаге, и совсем другое – применить на практике, смастерить соответствующую ракету, придать ей соответствующее ускорение и т. д.
В 1907–1908 годах советский ученый Фридрих Цандер занялся разработкой грядущих космических полетов: описал форму транспортного средства, его салон и пр. А уже в 1910 году выдвинул идею о путешествии в космос с Земли по специальному сверхпрочному тросу. Чтобы зафиксировать этот трос в двух связанных точках, требовалось слетать на Луну. Один край причудливого устройства планировалось закрепить на спутнике Земли, а второй – свесить на нашу планету. Земное притяжение должно было уравновесить технически простейшую конструкцию так, чтобы по ней можно было перемещаться вверх-вниз. Примерно как по канату на уроках физкультуры – только в специально обустроенных кабинах. Затея, очевидно, не вышла за пределы тетрадных записей.
В 1960 году инженер Юрий Арцутанов написал заметку в газете «Комсомольская правда» со скандальным по тем временам заголовком: «В космос – на электровозе». Он предложил протянуть в космос сверхпрочные тросы длиной 60 тыс. км. Своим вращением Земля будет постоянно держать тросы в состоянии натяжения – и по ним, как по рельсам, можно будет пускать электровозы в бескрайнее вселенское пространство. Космическая инфраструктура, организованная таким образом, будет столь же бесперебойной и скоростной, как авиационное или железнодорожное сообщение. В статье все излагалось довольно бодро. Но, к сожалению, автор проигнорировал техническую сторону вопроса: из какого материала нужно делать подобные тросы, как избежать их разрыва на столь колоссальной дистанции и другие тонкости.
Казалось бы, успешный полет человека в космос должен был поставить точку в таких изысканиях. Но не тут-то было! Полезность космического лифта вплоть до начала XXI века отстаивал российский физик Георгий Поляков. И он не стал ограничиваться одной-двумя статьями, а развернул целую одиночную кампанию по продвижению своей затеи. В 1972 году Поляков выпустил работу «Изучение гравитационно-инерционного поля вращающейся планеты». Ученый пришел к выводу, что, используя вращение Земли и ось ее наклона, в перспективе можно будет отладить космическую тросовую систему так, чтобы перемещать по ней даже тяжеловесные объекты. Идеи Полякова практически никто в академическом сообществе не воспринял. Да и сам он в своих работах ссылался практически только на себя – за неимением единомышленников.
В 1975 году американец Джером Пирсон (Jerome Pearson) написал статью «Орбитальная Башня: пусковая установка космического корабля, использующая энергию вращения Земли». А годом позже выступил на заседании 27-го конгресса Международной федерации астронавтики с докладом «Использование орбитальной башни для регулярного запуска в космос полезных грузов». В его работах обосновывается полезность транспортировки относительно небольших грузов не с помощью ракет, а с помощью тросовых систем. Дескать, так выйдет и меньше затрат, и больше оперативности. Но благое намерение осложнялось отсутствием хотя бы минимального базиса. Пирсон открыто признал, что в настоящее время подобная задумка не может быть подкреплена соответствующими рабочими материалами. В качестве возможного предложения на будущее он выдвинул идею о тросе переменного сечения. Сочетание продольного и поперечного сечений в одном тросе должно распределить нагрузку на него таким образом, чтобы в процессе эксплуатации износ стал минимальным. Однако сложность состоит не в том, чтобы увеличить прочность, а в том, чтобы в принципе понять устройство работающего космического лифта. Все имеющиеся материалы оказываются непригодными для его строительства, какие сечения ни предусматривай. Как именно и из чего можно получить такой транспортный «чудо-канат» – непонятно, похоже, даже самому Пирсону.
Есть ли у нас шанс?Самая высокая постройка на сегодняшний день – отельно-офисный комплекс «Бурдж Халифа». Его высота – «всего» 898 м, даже не один километр. Техническая возможность сооружения километровых зданий признается давно, но для возведения подобной конструкции нужна широкая площадка – иначе все рухнет. То же самое касается и космического лифта: невозможно на малом пятачке соорудить узкую трубку высотой в сотни и тысячи километров.
С 1966 года в Токио строили так называемую «Башню Никитина–Травуша». Этот гигантский комплекс должен был стать жилым и взмыть над землей на 4 км, при ширине основания в целых 6 км. Вскоре высоту сократили до двух. Потом – до 500 м. А потом и вовсе приостановили строительство на неопределенный срок. Так называемая «Башня Нахиль» в Дубае должна была возвыситься на 1400 м. Проект тоже был прикрыт в 2009 году. Официально заявленная причина – чрезмерная дороговизна.
Никакие остовы из сверхпрочных материалов не спасают от бескомпромиссного земного притяжения. Потребуются недюжинные усилия и колоссальные затраты, чтобы такой высотке обосноваться на надежном фундаменте. А ведь речь-то пока идет вовсе даже не о взмывании в космические просторы, а всего лишь о надежном километровом небоскребе.
Но, может быть, недостаточную прочность фиксирующего остова как-нибудь удастся компенсировать крепостью троса? Тоже нет. Трос, что с ним ни делай, рвется на определенной протяженности. И эта протяженность для крепчайшего стального троса составляет… 50 км. Всего-навсего. С появлением углеродных нанотрубок теоретическая разрывная длина увеличилась до 10 тыс. км. Но именно теоретическая: на практике этот вопрос никто пока не исследовал. И речь идет о разрыве строго под тяжестью собственного веса. Иными словами, если на вертикально подвешенный углеродный трос длиной в 9 999,99 км поместить пустую авоську, то трос этот гарантированно разорвется. Какая уж тут транспортировка грузов в космос!
К настоящему времени осталось только два аргумента в пользу космического лифта: экономия ракетного топлива на доставку небольших грузов и возможность более или менее регулярного путешествия в космос «налегке», когда это необходимо. Оба этих аргумента не выдерживают критики. Мировая экономика явно не страдает от перепроизводства ракетного топлива, и постоянные частно-космические одиссеи ей тоже не требуются.
В качестве информации для размышления приведем немного итоговых цифр. 10 тыс. км – это даже теоретически максимальная длина сколь угодно прочного троса, при достижении которой в вертикальном положении он разрывается под тяжестью собственного веса, без малейшего давления. 384 403 км – среднее расстояние от Земли до Луны. Порядка 149 600 000 км – среднее расстояние от Земли до Солнца. 25 тыс. световых лет, или около 236 518 261 814 520 000 км – примерная дистанция от Земли до центра Млечного Пути. И нужен ли человечеству космический лифт на самом деле?
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.
