Ким
я могу что надо, то и могу
Ты дурак, если не восходил на Фудзияму. Но если ты был на ней дважды, ты дурак вдвойне (японская пословица)
Ким Александров
Все записи
текст

Глина для Вавилонской башни

Есть ли идея безумней, чем построить башню высотой с мир и попытаться узнать, что таится за небесной твердью?

Есть ли идея безумней, чем построить башню высотой с мир и попытаться узнать, что таится за небесной твердью? А породили ее уверенность в своих силах, образцовая организация производства, развитая материальная база и непреходящий энтузиазм строителей. И ведь ничего не изменилось, без этого забор на даче и то не поставить! Разве что мы точно узнали, что никакого гранитного небесного свода нет, Земля – вовсе не центр мироздания, а обилие языков можно объяснить без привлечения мистики.

 

Современная космонавтика – занятие расточительное: доставка всего лишь килограмма груза на МКС стоит $15–20 тыс. И это самый ближний космос, всего-то 300 км от поверхности. Так что если кому-то придет в голову идея превратить на время пудовую гирю в искусственный спутник, то пусть это будет состоятельный человек.

Тем не менее, концепция удешевления грузоперевозок начинает доминировать и в космонавтике. В гражданской авиации, например, она привела к конструктивной унификации воздушных судов: теперь это широкофюзеляжные двухдвигательные машины, похожие друг на друга, как родные братья. (Иногда кажется, что Airbus и Boeing – всего лишь разные департаменты одной большой компании…)

Фундаментальная задача космонавтики проста: разгон полезного груза до первой космической скорости и выведение его на заданную орбиту. Будь мы марсианами или селенитами, все решалось бы проще: можно было бы обойтись дешевыми одно- или двухступенчатыми ракетами и набить ближний космос спутниками до отказа. Но с Землей все сложнее. Циклопические многоступенчатые ракеты-носители ценой в годовой бюджет небольшого города, гигантские космодромы и мощная индустрия, выпускающая исключительно одноразовые изделия, – все это плата за плотную атмосферу. И пока с телепортацией и антигравитацией дела обстоят из рук вон плохо, приходится запускать дорогие и не очень надежные ракеты и мириться с многомиллионными космическими прейскурантами.

Позвольте, а как же «челноки» и возвращаемые ступени? В обозримом будущем – мало «как», даже с учетом могучей частной инициативы (например, проектов Маска и Брэнсона). Экономический эффект не столь велик и значителен, чтобы ради него можно было пожертвовать надежностью, особенно в части manned spacecraft (пилотируемых космических кораблей).

 

А если построить высоченную башню до самого неба? Воплотив дерзкую богоборческую идею на базе современных технологий, превратить космонавтику в элемент транспортной системы? Идея эта не нова, истоки можно найти в мифологии и фольклоре, но с прагматических позиций ее впервые высказал аспирант Ленинградского технологического института Юрий Арцутанов, опубликовавший в «Комсомолке» от 31 июля 1960 года статью «В космос – на электровозе».

Одним из импульсов для начала работ над необычным проектом стала заметка о новом синтетическом материале необычайной прочности, созданном в США. Скорее всего, речь шла о прототипе кевлара фирмы DuPont, пара-арамидном волокне с пределом прочности в 3600 МПа. И еще одним – концепция геостационарной орбиты, описанная в статье «Внеземные ретрансляторы» (Extra-Terrestrial Relays), опубликованной в октябрьском номере журнала Wireless World за 1945 год и принадлежавшей перу бывшего лейтенанта королевских ВВС Артура Кларка. Да-да, того самого, автора «Космической одиссеи», «Лунной пыли» и «Конца детства», классических научно-фантастических романов, которыми зачитывалась техническая интеллигенция Советского Союза. В англоязычной научной литературе геостационарные орбиты так и называются – орбитами (или поясами) Кларка.



Спутник на такой орбите находится над одной точкой экватора, на высоте 35 785 км над уровнем океана, и его угловая скорость равна скорости вращения Земли. Сегодня можно только удивляться прозорливости писателя: с бурным развитием телекоммуникационных и космических технологий геостационарная орбита превратилась в уникальную полосу космического пространства, на которой становится в буквальном смысле тесно. Среднее расстояние между спутниками составляет около 500 км, а на некоторых участках тяжелые аппараты «висят» всего в нескольких десятках километров друг от друга.

Идея Циолковского о строительстве грандиозной башни высотой в сотни километров – конечно, совершенная утопия, а уж «нарастить» ее до пояса Кларка… Поэтому предложение Юрия Арцутанова строить орбитальный лифт сверху, опустив трос с геостационарного спутника, представляется более реалистичным.

 

Справедливости ради надо сказать, что подобные версии подробно рассматривались в декабрьском номере журнала New Scientist за 1964 год, правда, в несколько специфичной рубрике под названием Ariadne column, посвященной забавным и безумным изобретениям. (Читатели постарше, может быть, помнят занимательную книжку «Изобретения Дедала», переводной сборник материалов этой рубрики.) Вполне возможно, что именно этот журнал и стал основанием для сюжета знаменитого романа «Фонтаны рая», вышедшего в 1979 году и, что называется, «с колес» печатавшегося в популярнейшей тогда «Технике – молодежи». Артур Кларк, кстати, вообще был достаточно близок к социалистической идеологии и никогда не опускался до уровня антисоветского лубка, за что и пользовался расположением наших цензоров.

Кроме этого, Кларк всегда обстоятельно подходил к научно-технической стороне сюжета, предпочитая работать в рамках строгих физических моделей. Стремлением получить информацию из первых рук и объясняется встреча Кларка с Юрием Арцутановым во время одного из визитов в СССР. Как оказалось, проект советского инженера при всей его фантастичности и неактуальности (напомним, что речь идет о второй половине 70-х) абсолютно обоснован, опирается на известные закономерности элементарной механики и просчитывается до мельчайших подробностей.

 

Дело – за материалами! А вот с ними было гораздо сложнее. По расчетам, космический трос должен выдерживать механическое напряжение не менее 60–80 тысяч МПа, при этом чем выше будет его прочность, тем легче будет вся конструкция. Посмотрим, что могут предложить современные технологии. Начнем со стали. Для корректности сравнения отметим, что пределы прочности на разрыв у ее различных видов довольно сильно отличаются. Так, у термически упрочненной легированной (кремнехромомарганцовистой) стали марки 30ХГСА, применяемой для изготовления особо ответственных узлов, предел прочности достигает 1400 МПа, у широко распространенной стали марки Ст3сп (конструкционной углеродистой «спокойной» стали обыкновенного качества общего назначения с содержанием углерода 0,03%) – около 400 МПа. Сегодняшние чемпионы – полиоксазольный полимер зайлон (Zylon) с пределом прочности до 6000 МПа, кварцевые волокна и монокристаллические углеродные волокна-«усы» – у них теоретический предел прочности достигает 20 000 МПа!



Забегая вперед, отметим любопытную инициативу, с которой выступили специалисты некоммерческого фонда Spaceward, организатора ежегодных Space Elevator Games, проводимых с 2005 года при поддержке NASA. Признавая заслуги нашего соотечественника, они предложили оценивать характеристики перспективных материалов в особых единицах – Юриях (Yuri)! Это – удельная прочность, то есть отношение прочности на разрыв к плотности материала (в СИ – Па·м³/кг). Практически нашла применение большая единица – мегаюрий (Myuri) с более привычной инженерам размерностью – ГПа·см³/г.

Выбор параметров не случаен. Если вспомнить школьную задачу о стальной проволоке, свисающей с аэростата (на какой высоте она оборвется?), то станет ясно: ее предельная длина прямо пропорциональна пределу прочности и обратно пропорциональна плотности материала. Так вот: легированная сталь обладает удельной прочностью в 0,2 мегаюрия (предел прочности – 1,4 ГПа, плотность – 8 г/см3) и оборвется под собственным весом на высоте около 4 километров. У кевлара удельная прочность намного выше – 2,4 мегаюрия, а уже упомянутый Zylon может порадовать целыми 3,5 мегаюриями.

 

Но всего этого разнообразия все равно недостаточно, для предметного разговора нужна удельная прочность, большая, как минимум, на порядок. Артуру Кларку для его «Фонтанов рая» пришлось даже придумать молекулярную нить, паутинка которой выдерживала вес нескольких упитанных взрослых. И надо снова сказать о его прозорливости: в ноябрьском номере журнала Nature за 1991 год японский физик Сумио Ииджима, сотрудник компании NEC (Nippon Electric Co.), опубликовал статью Synthesis of carbon nanotubes, возродившую надежды на появление сверхпрочного материала космического назначения.

Действительно, ведь алмаз, самое твердое природное вещество – это все тот же чистый углерод, атомы которого «построены» в упорядоченную пространственную решетку, скрепленную прочными ковалентными связями типа sp2. Но ведь и графит – углерод, только по-другому организованный! Отсюда недалеко и до графеновых структур, в общем виде представляющих собой своеобразные двумерные кристаллы с выдающимися механическими свойствами, теоретически подходящими для строительства космического лифта.

 

Проблема в том, что между метровыми лабораторными образцами (нынешний рекорд еще подбирается к метру) и нитью длиной с экватор – гигантская дистанция, преодолеть которую будет непросто. Уже сейчас в хоре записных оптимистов, пропагандирующих безграничные возможности углеродных материалов, слышны голоса отдельных скептиков. Например, футуролог Хауард Хенсон (Howard Keith Henson) утверждает, что практическое изготовление нанотрубок сопряжено с принципиальной невозможностью обеспечения гомогенности их структуры: в силу квантовых эффектов ровная и прочная углеродная «сетка» обязательно будет иметь локальные дефекты. А профессор Никола Пуньо, специализирующийся на исследованиях наноматериалов в Туринском политехническом институте (Politecnico di Torino), проведя обширные и подробные расчеты, пришел к неожиданному выводу: углеродные однослойные нанотрубки в принципе не способны обеспечить требуемую прочность! Даже одноатомный дефект в плоском углеродном кристалле может привести к «расползанию» всей структуры. А сколько их может накопиться в тросе длиной с экватор? Да и про внешние факторы воздействия: ветер, дожди, жару и морозы, пыль, микрометеориты и радиацию (лифт и его гипотетические пассажиры будут проходить пояс Ван-Аллена) – тоже не стоит забывать.

 

И тем не менее, компания Obayashi, один из крупнейших игроков строительного рынка Японии, устами своего руководителя Иоджи Ишикавы (Yoji Ishikawa) объявила о планах по созданию к 2050 году полноценного космического лифта на основе углеродных нанотрубок, оценив стоимость проекта в $100 млрд. С подобным заявлением ранее выступала американская Liftport Group из Сиэтла, пообещавшая построить лифт к 2031 году. Чего здесь больше: банального пиара, аферы с привлечением инвестиций в суперамбициозный проект или искреннего желания в очередной раз заглянуть за самый край небосвода? Поживем – увидим.

Всего 0 комментариев
Комментарии
OK OK OK OK OK OK OK
Яндекс.Метрика