Космический лифт
Каждый из нас ежедневно пользуется лифтом для подъема на 5, 10, 20, а иногда на 50 этаж, или даже на телебашню. Как же высоко можно подняться на лифте и можно ли создать лифт, переносящий нас за пределы стратосферы в космос? Оказывается, теоретических преград для этого нет, а сама идея создания космического лифта была предложена К.Э. Циолковским еше в 1895 г., когда он впервые увидел Эйфелеву башню в Париже. По замыслу Циолковского, лифт должен подниматься по тросу, соединяющему поверхность планеты с геостационарной орбитальной станцией. Согласно оценкам, такой способ подъема грузов в перспективе окажется на порядок дешевле использования ракет-носителей. В настоящий момент современная ракетная техника требует затрат в 30-40 тысяч долларов США для подъема каждого килограмма груза на орбиту, тогда как прогнозируемая оценка стоимости услуг космического лифта составляет лишь 1000 долларов США. Само же создание лифта оценивают в 10 млрд долларов США.
Но что же общего между космическим лифтом и современными нанотехнологиями? Космический лифт должен выдерживать, по крайней мере, свой вес, весьма немалый из-за длины троса, а соответственно, от материала троса требуется чрезвычайная прочность на разрыв в сочетании с малой плотностью. Утолщение троса, с одной стороны, повышает его прочность, а с другой — увеличивает его массу. Кроме того, следует учитывать, что нагрузка на различные участки троса будет различна в зависимости от высоты над уровнем Земли: в одних случаях участок троса должен выдерживать вес сегментов, находящихся ниже, в других — обеспечивать центростремительную силу, удерживающую верхние части троса на орбите. С учетом гравитации Земли и центробежной силы, сечение однородного троса в зависимости от высоты описывается формулой, в соответствии с которой толщина троса экспоненциально увеличивается вплоть до высоты нескольких земных радиусов, а достигнув геостационарной орбиты, снова уменьшаться, создавая эффективный противовес рабочей части лифта.
Возникает вопрос, из какого материала сделать трос? Подставив в расчетную формулу плотность и прочность, например, стали, и взяв диаметр троса у поверхности Земли в 1 см, мы получим диаметр на уровне геостационарной орбиты, равный нескольким сотням километров! Таким образом, сталь, кевлар и другие традиционные высокопрочные материалы непригодны для строительства такого лифта. Его реальная реализация возможна только при условии разработки новых высокотехнологических материалов, у которых прочность на разрыв составляет более 100 ГПа, а плотность не превышает 2000 кг/м3. Казалось бы, совершенно немыслимые требования? Но именно таких свойств исследователи ожидают от идеальных «одностенных углеродных нанотрубок» (ОСНТ). Согласно теоретическим оценкам, их прочность может достигать прочности графитового листа (до 1 ТПа) при плотности ~ 1700 кг/м3. В настоящий момент уже получены одностенные на-нотрубки с прочностью на разрыв ~60 ГПа. Но не стоит забывать, что 60 ГПа — это прочность отдельной углеродной нанотрубки, длина которой составляет лишь сотни микрон. Чтобы использовать нанотрубки в качестве материала троса, необходимо сначала «свить» из них жгуты, что приведет к значительному уменьшению прочности.
Именно с появлением нанотрубок NASA был разработан проект по созданию комического лифта, а уже в 2000 году выпущен отчет, согласно которому трос из углеродных нанотрубок сможет выдержать свою массу при диаметре всего в несколько сантиметров. Быстрые темпы развития нанотехнологий привели к тому, что уже сегодня изготовление жгутов из ОСНТ не является невыполнимой задачей и может производиться в достаточных для постройки космического лифта масштабах. Работы по созданию космического лифта, включая разработку подъемника, способного самостоятельно двигаться по тросу, проводятся компанией HighLift Systems при поддержке NASA, а частная компания Liftport Inc. пытается самостоятельно достичь той же цели к 2031 году. И уже сегодня Вы можете приобрести первый билет на лифт, поднимающий Вас к самой высокой точке планеты.
|
|
Читайте в рубрике «Нанотехнологии»: |
Военная техника | Телекоммуникации | Электроника | Энергетика | Физика | Химия | Биология | Математика | Психология | Физиология | Экономика | Металлургия | Строительство | Сельское хозяйство | Медицина | Культура и искусство | Виды двигателей | Машины и механизмы | Воздушный транспорт | Водный транспорт | Автотранспорт | Ж/д транспорт | Физики | Химики | Математики | Биологи | Европейские изобретатели | Американские изобретатели | Российские изобретатели | Советские изобретатели | Методология науки | Развитие креативности | Как стать изобретателем | Изобретения будущего