Космический лифт представляет собой научно-фантастическое решение проблемы вывода объектов на орбиту без использования ракеты, но вряд ли бы вам хотелось оказаться под ним, если трос оборвется.
В первом эпизоде сериала «Основание» (Foundation) на Apple TV мы видим, как террорист пытается уничтожить космический лифт Галактической Империи. Похоже, это отличный повод поговорить о физике космических лифтов и подумать о том, что произойдет, если один из них взорвется. (Подсказка: ничего хорошего)
Вообще людям нравится запускать всякие штуки за пределы атмосферы Земли: благодаря этому у нас есть метеорологические спутники, Международная космическая станция, спутники GPS и даже космический телескоп «Джеймс Уэбб». Но прямо сейчас наш единственный способ отправить что-то в космос — прикрепить это что-то к контролируемому химическому взрыву, который обычно называют «ракетой».
Не поймите меня неправильно, ракеты — это, конечно, круто, но они дорогие и малоэффективные. Давайте рассмотрим, что необходимо, чтобы вывести объект массой 1 кг на низкую околоземную орбиту (НОО). Это около 400 километров над поверхностью Земли, примерно на такой высоте находится Международная космическая станция. Чтобы вывести наш объект на орбиту, нужно выполнить две вещи. Во-первых, нужно поднять его вверх на 400 километров, но, если просто увеличить высоту объекта, он не задержится в космосе надолго. Он упадет на Землю. Следовательно, во-вторых, чтобы эта штука находилась на НОО, она должна очень быстро двигаться.
Небольшой факт об энергии: оказывается, количество энергии, которое мы сообщаем системе (мы называем это работой), равно изменению энергии в этой системе. Математически можно смоделировать различные виды энергии. Кинетическая энергия — это энергия, которой объект обладает благодаря своей скорости. Поэтому, если увеличить скорость объекта, его кинетическая энергия тоже увеличится. Гравитационная потенциальная энергия зависит от расстояния между объектом и Землей. Значит, чем больше высота объекта, тем больше и гравитационная потенциальная энергия.
Предположим, мы используем ракету, чтобы увеличить гравитационную потенциальную энергию объекта (чтобы поднять его на нужную высоту), а также увеличить его кинетическую энергию (чтобы разогнать его). Выход на орбиту зависит больше от скорости, чем от высоты. Только 11 процентов энергии приходится на гравитационную потенциальную энергию. Остальная энергия – кинетическая.
Полная энергия, необходимая для вывода на орбиту этого килограммового объекта, составит около 33 миллионов джоулей. Для сравнения, если взять с пола учебник и положить его на стол, на это уйдет около 10 джоулей. Так что для выхода на орбиту, потребуется чудовищно много энергии.
На самом деле проблема еще сложнее. Химическим ракетам нужна не только энергия, чтобы вывести 1-килограммовый объект на орбиту — им также нужно топливо для полета на НОО. Пока ракета не сожжет это топливо, по сути, оно будет лишним грузом, а значит, нужно стартовать с еще большим количеством топлива. Для многих реальных ракет до 85 процентов общей массы может быть топливом. Это супер неэффективно.
А что, если вместо запуска химической ракеты, объект может просто подняться по тросу, уходящему в космос? Так всё и было бы, будь у нас космический лифт.
Космический лифт: основы
Допустим, если построить гигантскую башню высотой 400 километров, то можно подняться на лифте вверх и оказаться в космосе. Всё просто, правда? Нет, на самом деле нет.
Во-первых, невозможно взять и построить такую конструкцию из стали; вес, скорее всего, сожмет и разрушит нижнюю часть башни. А еще для этого потребуется огромное количество материалов.
Но это не самая большая проблема — есть еще проблема со скоростью. (Напомню, чтобы выйти на орбиту, нужно двигаться очень быстро). Если бы вы стояли на вершине 400-километровой башни с основанием где-то на экваторе Земли, вы бы действительно двигались, потому что планета вращается — это подобно движению человека на карусели. Поскольку Земля вращается примерно один раз в сутки (есть разница между сидерическим и синодическим периодом вращения), ее угловая скорость составляет 7,29 х 10-5 радиан в секунду.
Угловая скорость отличается от линейной скорости. Это мера скорости вращения, а не то, что мы обычно называем скоростью — мерой движения по прямой. (Радиан — это альтернативная градусам единица измерения вращения).
Если два человека стоят на вращающейся карусели, они оба будут иметь одинаковую угловую скорость. (Например, 1 радиан в секунду). Но человек, находящийся дальше от центра вращения, будет двигаться быстрее. Допустим, один человек находится в 1 метре от центра, а другой - в 3 метрах от центра. Их скорости будут соответственно 1 м/с и 3 м/с. Такая же история с вращающейся Землей. Можно подняться достаточно высоко, тогда вращение Земли даст необходимую орбитальную скорость, чтобы оставаться на орбите вокруг планеты.
Итак, вернемся к примеру с человеком, стоящим на вершине 400-километровой башни. Достаточно ли он удален от Земли, чтобы оставаться на орбите? За один полный оборот Земли его угловая скорость составит 2π радиан в сутки. Может показаться, что это не очень быстро, но на экваторе такое вращение даст скорость 465 м/с (это более 1000 миль/ч). Но… этого все еще недостаточно. Орбитальная скорость (скорость, необходимая для пребывания на орбите) на такой высоте составляет 7,7 км/с, или более 17 000 миль/ч.
На самом деле есть еще один фактор: по мере удаления от Земли уменьшается и орбитальная скорость. Если увеличить высоту с 400 км до 800 км над поверхностью Земли, орбитальная скорость уменьшится с 7,7 км/с до 7,5 км/с. Разница не велика, но помните, что важен радиус орбиты, а не только высота над поверхностью Земли. Теоретически можно было бы построить волшебную башню достаточно высокой, чтобы просто сойти с нее и оказаться на орбите, но тогда она должна быть высотой 36 000 км. Это вряд ли случится.
Вот кое-что очень крутое и более практичное: орбита на высоте 36 000 километров имеет особое название -геостационарная орбита. На такой орбите объект совершает один оборот за то же время, что Земля совершает оборот вокруг своей оси. Если поместить объект на орбиту прямо над экватором, и он появится в том же месте на небе относительно поверхности Земли, то такая орбита является геостационарной. Это полезно и вообще удобно, потому что точно известно, где находится объект. Геостационарная орбита упрощает связь с такими объектами, как телевизионные или метеорологические спутники, или со спутниковыми камерами, которые должны оставаться сфокусированными на одной и той же части Земли.
Ладно, вернемся к космическому лифту. Если невозможно построить огромную башню, то можно протянуть 36 000-километровый трос от объекта, находящегося на геостационарной орбите. Бум! Да это же космический лифт.
Чтобы заставить это работать, понадобится большая масса на орбите — космическая станция или небольшой астероид. Масса должна быть большой, чтобы удерживаться на орбите и не покидать ее каждый раз, когда что-то поднимается по тросу.
Может быть, теперь вы видите проблему с космическим лифтом. Кто захочет сделать трос длиной 36 000 километров? Трос такой длины, даже из самого прочного материала (например, кевлара), должен быть очень толстым, чтобы не разорваться. Разумеется, если трос толще, значит, внизу должен свисать больший вес, а это значит, что части троса вверху должны быть еще толще, чтобы поддерживать его нижнюю часть. Это комплексная проблема, которая кажется практически неразрешимой. Единственная возможность строительства космических лифтов в будущем — выяснить, как использовать сверхпрочный и легкий материал, такой как углеродные нанотрубки. Возможно, когда-нибудь у нас это получится, но не сегодня.
Так что там про падающий трос космического лифта?
В первом эпизоде «Основания» несколько людей приводят в действие взрывное устройство, отделяя верхнюю часть космического лифта от остального троса. Трос падает на поверхность планеты и наносит там сокрушительный ущерб.
Как бы это выглядело:
Что же происходит? Обратите внимание, что нижняя часть троса просто падает на Землю и, вероятно, вызывает серьезные разрушения. В этой модели он охватывает примерно треть пути вокруг экватора, хотя его полная длина почти полностью охватывает Землю (длина экватора составляет 40 000 километров).
Однако некоторые части троса могут даже не коснуться поверхности. Если они начнут движение достаточно высоко, то их скорость будет увеличиваться по мере приближения к поверхности. Возможно, эти части достаточно ускорятся, чтобы выйти на некруговую орбиту вокруг Земли. Это хорошая новость для тех, кто живете на экваторе. Уж лучше пусть этот мусор останется в космосе, чем упадет на голову, да?
Конечно, если трос все еще цел, то каждая его часть будет тянуть за собой соседнюю. Это приведет к тому, что большая часть троса упадет на Землю. Но в какой-то момент сила натяжения в тросе станет настолько сильной, что он просто порвется.
Так что космический лифт не только очень трудно построить, но и довольно опасно использовать из-за угрозы его обрыва и падения на Землю. Может быть, это и хорошо, что мы все еще находимся на ракетной фазе освоения космоса.
Ещё по теме:
- Apple работает над инструментом сканирования iPhone на косметические повреждения
- ФБР рассматривало возможность использования шпионского ПО Pegasus для внутренней слежки в США
- Как удалить историю просмотра в YouTube (и почему это нужно делать)
