Антон Первушин
МИФОЛОГИЯ КОСМИЧЕСКОГО ЛИФТА
Эссе из цикла «Образы космической экспансии»
Публикации:
В журн. «Полдень, XXI век». — 2009. — № 53 (май). —
с.161-170.
1.
Космический лифт — одно из самых замечательных изобретений
человеческого ума. Причем эта идея напрямую вырастает из мифологического
мировосприятия, сформировавшегося на заре человеческой культуры. Ребенок видит,
как растет дерево — растет оно в небо, достигая порой немалой высоты.
Срабатывает гиперболизация, свойственная человеческому мышлению, и возникает
гипотеза: где-то далеко, в сказочной стране, наверняка есть деревья,
дорастающие до Луны и звезд. Поднявшись по такому дереву, можно проникнуть во
внешний космос, который также воспринимался как твердь «верхнего мира».
В более поздних земледельческих культурах, ориентированных
уже на активное преобразование мира, отношение к растению, способному добраться
до звезд, изменилось в творческом ключе. Теперь не нужно было искать волшебное
дерево — его можно было вырастить. Не откажу себе в удовольствии процитировать
здесь коротенькую сказку «Старик на небе», позаимствованную из фундаментального
труда Александра Николаевича Афанасьева «Народные русские сказки»:
«Жили дед да баба, и была у них хата. Посадил дед бобинку, а
баба горошинку под стол. Горошинку поклевала курица, а бобинка выросла под
самый стол; приняли стол, она еще выше выросла, сняли накат, крышу — все растет
и выросла под самое небо. Дед полез на небо; лез, лез — стоит хатка, стены из
блинов, лавки из калачей, печка из творогу, вымазана маслом. Он принялся есть,
наелся и лег на печку отдыхать.
Приходят двенадцать сестер-коз; у одной один глаз, у другой
два, у третьей три, и так дальше; у последней двенадцать. Увидали, что кто-то
попробовал их хатку, выправили ее и, уходя, оставили стеречь одноглазую. На
другой день дед опять полез туда же, увидел одноглазую и стал приговаривать:
"Спи, очко, спи!” Коза заснула, он наелся и ушел. На следующий день
сторожила двуглазая, потом трехглазая и так дальше. Дед приговаривал:
"Спи, очко, спи, другое, спи, третье!” и прочее. Но на двенадцатой козе сбился,
заговорил только одиннадцать глаз; коза увидала его двенадцатым и поймала».
Эффектная сказочка, не находите? Мало того что старик
взобрался на небо по бобовому стеблю, он еще и обнаружил там съедобное
сооружение, построенное негуманоидными существами. Участь жадного старика
печальна, что, впрочем, не обесценивает идею саму по себе. Наоборот, тот, кто в
ладах с математикой, может рассчитывать на успех в деле одурачивания
инопланетных коз и пожизненного потребления внеземных ресурсов.
Похожие сказки о небесном утопическом местечке, до которого
можно добраться, поднявшись по быстро растущему стеблю, имеются у многих
народов мира. И понятно, что с появлением городов и ремесленного производства
этот земледельческий миф должен был вновь претерпеть изменения. Что и произошло
примерно в VII веке до нашей эры, когда ассирийский царь Синахериб разрушил
Вавилон и стоявший в нем высочайший зиккурат Этеменанки — «дом, где небеса
сходятся с Землею». Так возникла легенда о Вавилонской башне, которую местные
жители строили для того, чтобы «сделать себе имя», и которую Бог не дал
достроить, «смешав» языки и ввергнув тем самым человечество в хаос.
Таким образом, идее строительства «небоскреба», способного
дотянуться до верхнего, более совершенного и чистого, мира, уже под три тысячи
лет. И следовательно, концепция космического лифта опирается на прочную
фольклорную основу.
Из-за наличия этой основы зачастую возникает путаница при
поиске приоритетов. Так, во многих статьях, посвященных космическому лифту,
можно встретить утверждение, что проект такого лифта рассматривал еще
Константин Эдуардович Циолковский — и это тоже миф, вытекающий из стародавней
традиции приписывать основоположнику теоретической космонавтики авторство чего
угодно, вплоть до «учения о российских слонах». На самом деле в знаменитой
работе «Грезы о Земле и небе и эффекты всемирного тяготения», впервые
опубликованной в 1895 году, Циолковский приводил общую оценку возможностей
транспортных космических сооружений, упомянув, в частности, экваториальный
помост, выходящий «за пределы атмосферы до высоты 300 верст, по которому
движется поезд со скоростью 8 верст в 1 секунду с тем, чтобы в его вагонах
тяжесть уничтожалась центробежной силой», и башню, построенную на экваторе, при
восхождении на которую «тяжесть понемногу уменьшается, не изменяя направления;
на расстоянии 34 тысяч верст совсем уничтожается, затем выше опять
обнаруживается с силой, пропорциональной удалению от критической точки, но
направление ее обратно, так что человек головой обращается к Земле, которую видит
у себя сверху». Как следует из приведенных цитат, речь идет не о космическом
лифте (то бишь тросовой системе), а именно о башне, идею которой можно
интерпретировать в данном случае как иллюстрацию к соображениям по поводу
изменения силы тяжести под воздействием центробежной силы при удалении от
поверхности Земли. Сама же идея строительства «башни до небес» принадлежит, как
мы помним, древним вавилонянам.
О тросовой космической системе впервые упоминается не в
работах Циолковского, а в записях Фридриха Артуровича Цандера. В 1910 году он
произвел расчет «лунного» лифта, протянутого с поверхности Луны в сторону Земли
за коллинеарную точку либрации L1 (она находится на одной прямой с центрами
масс этих небесных тел, и равнодействующая гравитационных и центробежных сил в
ней равна нулю) на расстояние более 60 тысяч километров и удерживаемого от
падения на Луну притяжением Земли. Однако Цандер допустил ошибку, взяв за
основу характеристики производимой в те годы стали и получив на выходе такую
толщину троса лифта, которая делала его невозможным. Да и обнаружили черновые
расчеты Цандера через много лет, когда уже были известны другие проекты из той
же серии.
Таким образом, несомненный приоритет в выдвижении идеи
космического лифта принадлежит не Циолковскому или Цандеру, а Юрию Николаевичу
Арцутанову, ленинградскому инженеру, который в 1960 году опубликовал статью «В
космос — на электровозе». Сам Арцутанов излагает ее так:
«Возьмите кусочек шпагата и привяжите к нему камень. Начните
вращать эту примитивную пращу. Под влиянием центробежной силы камень будет
стремиться оторваться и туго натянет веревку.
Ну а что будет, если такую "веревку” укрепить на земном
экваторе и, протянув далеко в Космос, "подвесить” на ней соответствующий
груз? Расчеты показывают <...>, что если "веревка” будет достаточно
длинной, то центробежная сила будет так же растягивать ее, не давая упасть на
Землю, как камень натягивает наш шпагат. Ведь сила притяжения Земли уменьшается
пропорционально квадрату расстояния, а центробежная сила растет с увеличением
расстояния. И уже на высоте около 42 тысяч километров центробежная сила
оказывается равной силе тяжести.
Вот, оказывается, какой длинной должна быть наша
"веревка” в Космос — пятьдесят, а то и шестьдесят тысяч километров! Да и
"груз” к ней должен быть подвешен немаленький — ведь центробежная сила
должна уравновесить вес каната длиной почти в 40 тысяч километров! Но если это
будет сделано, возникнет прямая канатная дорога с Земли в Космос!
Можно уже сегодня представить себе и некоторые подробности
устройства нашей "космической канатной дороги”. Прежде всего она состоит
не из одной нити, а из целой пряди их, идущих параллельно и соединенных между
собой поперечными лямками. Это сделано для защиты от метеоров, которые легко
могут перебить одиночную нить. Во-вторых, эти нити будут иметь разную толщину в
разных местах. Минимальной их толщина будет у поверхности Земли, максимальной —
в той точке, где центробежная сила уравновешивает силу тяжести: это для того,
чтобы растягивающее напряжение было всюду одинаковым. В-третьих, нити не будут
однородными. Вероятно, в их сеть будут вплетены металлические провода для
передачи электроэнергии. Вероятно, будут и такие нити, по которым смогут
двигаться космические электропоезда...»
Арцутанова не волновали ни технические подробности создания
лифта, ни его стоимость, ни экономическая целесообразность — его захватила сама
идея, а расчетом он доказал, что с использованием новых материалов на основе
алмазной нити подобный проект вполне осуществим.
Идея вызвала определенный интерес в Советском Союзе, но вряд
ли получила бы развитие в виде технических предложений, если бы вскоре не был
опубликован научно-фантастический роман Артура Кларка «Фонтаны рая». И этот
роман породил новую мифологию, которая до сих пор оказывает серьезное влияние
не только на взгляды фантастов, но на отдельные решения, принимаемые в
космической отрасли.
2.
Не буду ходить вокруг да около — я считаю, что миф о скорой
реализации проекта космического лифта вредит развитию космонавтики, создавая
иллюзорные миражи на пустом месте. По своей сути этот миф является частью
утопического представления о «небесном райском изобилии», преобразованного под
влиянием научно-технической революции в идеологию быстрого, «штурм унд дранг»,
космического прорыва, который уже в обозримом будущем решит большинство проблем
человечества.
Не решит! Это следует четко понимать и строить планы
космической экспансии, исходя из реальных возможностей нашей цивилизации, а не
тратя силы и средства на подкормку иллюзий. Ведь иллюзии когда-нибудь
рассеются, что грозит страшнейшим разочарованием с последующей социальной и
культурной деградацией. Оглянемся вокруг и вспомним печальный опыт
последовательного насаждения коммунистической идеологии в Советском Союзе, — а
ведь до самого «дна» мы еще не докатились!
Не знаю, как вам, а мне очень не хотелось бы, чтобы
неизбежное крушение веры в возможность быстрого космического прорыва привела к
глобальному разочарованию человечества в космонавтике (а между прочим,
тенденция уже налицо), а потому попытаюсь здесь и сейчас показать, что со
времен Вавилонской башни на этом фронте ничего не изменилось — «космическая
канатная дорога» остается всего лишь красивой сказкой, в которую не нужно
верить взрослым и ответственным людям.
3.
Итак, массовый интерес к идее космического лифта возник в
1979 году после публикации романа «Фонтаны рая» («The Fountains of Paradise»).
Его автор, знаменитый фантаст Артур Кларк, использовал статью четырех
американских океанографов, опубликованную в журнале «Наука» («Science») 11
февраля 1966 года и озаглавленную «Небесный крюк». Следует заметить, что
океанографы описывали прямой канат постоянного сечения и доказали, подобно
Цандеру, что при существующих материалах космический лифт построен быть не
может. Таким образом, с самого начала в качестве базы для написания романа
Кларк взял чисто гипотетическую, «нереальную» конструкцию. Понимая это,
писатель ввел еще одно фантастическое допущение: дескать, через двести лет
после начала космической эры (эта временная привязка упомянута в тексте дважды)
на орбитальных заводах начнут в промышленных количествах производить нить из
«псевдоодномерного алмазного кристалла», которая практически невесома, но
прочнее любого земного материала — из этой нити и предлагается сплести
«небесный канат».
Артур Кларк работал над романом десять лет (совершенно
невероятный срок по нынешним меркам!) и по ходу обдумывал конструкцию
космического лифта. Хотя Арцутанов разрешил проблему обеспечения прочности
каната еще в 1960 году, фантаст об этом ничего не знал и отыскал выход из
затруднительного положения в работе американца Джерома Пирсона, который в 1975
году «переоткрыл» идею космического лифта, доказав, что тот технически
осуществим, если сделать канат не с одинаковым по всей длине, а с переменным
сечением: тончайшим у Земли и наиболее толстым — на геостационарной орбите.
Кроме того, необходим противовес, который будет придавать лифту устойчивость —
противовесом может служить либо еще один такой же канат, протянутый в сторону
Луны, либо массивный астероид, пригнанный на околоземную орбиту.
Именно в таком виде космический лифт и описан в романе
«Фонтаны рая». При этом, когда Кларк узнал о статье Арцутанова, он охотно
признал его приоритет, и с этого момента популярнейший фантаст и простой
ленинградский инженер стали хорошими друзьями.
Какое же обоснование дает Артур Кларк необходимости
постройки столь сложного и циклопического сооружения? А вот какое:
«Космическая эра длится свыше двух веков. Вторую половину
этого срока наша цивилизация всецело зависит от искусственных спутников.
Глобальная связь, метеослужба, использование земных и океанских ресурсов,
служба почты и информации — если что-нибудь случится с космическими системами,
мы вновь погрузимся во тьму невежества. Возникнет хаос, и большая часть
человечества погибнет от голода и болезней. Заглядывая за пределы Земли, мы
видим автономные колонии на Луне, Меркурии и Марсе, а также неисчислимые
богатства, добываемые из недр астероидов. Однако, хотя ракеты стали сейчас
наиболее надежным транспортным средством из всех, какие когда-либо были
изобретены, <...> они все еще малоэкономичны. Хуже того, их воздействие
на природу чудовищно. Несмотря на все попытки контролировать коридоры входа и
выхода, шум при взлете и посадке досаждает миллионам людей. Продукты выхлопа,
накапливающиеся в верхних слоях атмосферы, уже привели к климатическим
изменениям. <...> Экстраполяция роста перевозок на конец века показывает,
что грузооборот на трассе Земля — орбита увеличится почти в полтора раза.
Однако эксплуатационные характеристики ракет близки к абсолютному пределу,
обусловленному законами физики».
Таким образом, космический лифт, построенный на экваторе (а
только там его и можно построить), должен раз и навсегда заменить ракеты,
обеспечив бесперебойное функционирование околоземной инфраструктуры и
межпланетную навигацию.
Но возникает новый вопрос: насколько это будет выгодно с
экономической точки зрения? Необходимо просчитать риски, ведь может оказаться,
что постройка лифта и его эксплуатация окажутся дороже, чем запуск необходимого
груза с использованием классических ракет на жидком топливе.
К вопросам экономики Артур Кларк отнесся довольно легкомысленно.
Мы не найдем в его романе столь же точных цифр по этому поводу, как, скажем, по
поводу протяженности «небесного каната». Например, он ничтоже сумняшеся
утверждает, что «стоимость перевозки одного пассажира не превысит нескольких
долларов», а сами затраты на постройку лифта составят «много миллиардов
долларов». Или вот еще пассаж: «По самым скромным подсчетам, лифт в сто раз
экономичнее любой ракеты». В чем экономичнее? В энергопотреблении? В
трудозатратах? Наверное, всё-таки не по себестоимости и не по экономии
материалов?..
Оперировать подобными оценками не представляется возможным,
поскольку они словно бы взяты из рекламного проспекта, а реклама источником
достоверной информации не является.
Тем не менее «Фонтаны рая» полюбились миллионам читателей, в
глазах которых космический лифт стал проектом, который осуществят если не
сегодня, то уж завтра точно.
Когда выяснилось, что приоритет в изобретении лифта
принадлежит ленинградскому инженеру, в Советском Союзе принялись активно
обсуждать его концепцию. Специальные и популярные статьи посыпались, как из
рога изобилия, а художники изощрялись в изображении колоссальной тросовой
системы, соединяющей Землю с космосом. Однако не имеет смысла перечислять здесь
все проекты и фамилии их авторов хотя бы потому, что в СССР не было ни одной
площадки, откуда можно было бы протянуть к небу подобный лифт, а если бы такой
проект когда-нибудь и был принят к реализации, то никто не допустил бы
находящуюся в изоляции державу к постройке стратегически значимого сооружения.
Можно еще вспомнить, как коммунистическое руководство с гордостью отказалось от
многочисленных предложений американцев вместе слетать на Луну, — исторический
опыт подсказывает, что вряд ли хоть один влиятельный советский конструктор
появился бы на гипотетической «стройке века» — ну разве что Арцутанова
отправили бы...
В итоге по-настоящему серьезного проекта космического лифта
(технически и экономически обоснованного) за двадцать лет обсуждения так и не
появилось. Лишь в начале XXI века агентство НАСА объявило конкурс на разработку
общей концепции тросовой космической системы, и вот тут выявились малоприятные
детали.
4.
В 2000 году доктор Брэд Эдвардс выпустил отчет, в котором
излагались результаты предварительных исследований по проекту космического
лифта. Поначалу данные Эдвардса внушали оптимизм. Американец показал, что
кларковский «псевдоодномерный алмазный кристалл» фактически уже создан, и это —
так называемые однослойные углеродные нанотрубки, по своей прочности на два
порядка превышающие лучшие марки стали.
Расчеты, вроде бы, подтверждали главное — теоретически
нанотрубки дают как минимум трехкратный запас по прочности. Но это
теоретически. Вот несколько цифр: необходимая прочность на разрыв для одной
миллиметровой нити космического лифта должна быть не ниже 65 гигапаскалей (что
соответствует грузу в 65 тонн), а лучшие нанотрубки, создаваемые сегодня,
обеспечивают 52 гигапаскаля — тоже неплохо, но явно недостаточно. Чрезвычайно
высока и стоимость нанотрубок — грамм стоит 25 долларов, а на один трос для
лифта, по прикидочной оценке, понадобится 20 миллионов граммов. Терпимо, но
сколько придется натянуть таких тросов, никто сегодня точно не знает и сказать
не может.
Очень разнятся и оценки стоимости возведения лифта.
Например, вышеупомянутый доктор Эдвардс полагает, что постройка обойдется в
сумму от 20 до 40 миллиардов долларов, при этом первая лента будет стоить 6,2
миллиарда. А в японской Ассоциации космического лифта просят всего-то 10
миллиардов. И снова, вроде бы, оценки внушают оптимизм — цена выглядит
умеренной, сопоставимой с ценой разработки нового космического корабля, а
результат будет налицо: ожидается, что использование лифта снизит расходы на
космические запуски на два порядка и за счет этого он быстро окупится.
Первую ложку дегтя в необъятную бочку с медом подбросил
итальянский адъюнкт-профессор Никола Пуньо из Политехнического института
Турина, который в своей недавней работе показал, что если одна нанотрубка
потеряет всего один атом углерода, она потеряет в прочности тридцать процентов!
Причем это касается не только тех трубок, которые уже созданы, но и тех,
которые еще только предполагается создать.
Дальше — больше. Вспомнили о том, что Землю окружают
радиационные пояса и наибольшую толщину они имеют аккурат в экваториальной зоне
(на высотах от одной до двадцати тысяч километров), а значит, кабина лифта
будет проходить через них, и пассажиры подвергнутся воздействию проникающей
радиации — следовательно, кабину придется снабжать мощной защитой, что заметно
утяжелит лифт.
Отдельного внимания заслуживают и вопросы динамики
механических и термических колебаний системы — пока она принципиально не
подсчитываема. Далеки от разрешения проблемы защиты от космического мусора,
подвода энергии и отвода избыточного тепла.
Однако похоже, что точку в споре о лифте поставит всё же
беспощадная экономика. Даже приблизительный расчет, сделанный доктором
Эдвардсом для грузового космического лифта (то есть для лифта, не
предусматривающего подъем пассажиров), дает стоимость килограмма груза,
доставленного в космос, в три тысячи долларов (это сопоставимо со стоимостью
запуска килограмма полезного груза на орбиту с помощью перспективных ракет), но
при одном «маленьком» условии — если в год на орбиту отправлять не менее двух
миллионов килограммов полезной нагрузки. А для устойчивой работы лифта и
восполнения энергозатрат необходимо столько же спускать из космоса на Землю.
Пять с половиной тонн в сутки наверх и столько же вниз! Любой день простоя,
соответственно, увеличивает расходы и снижает прибыльность. Вы знаете хоть одну
задачу, которая стояла бы перед человечеством и требовала бы доставки на орбиту
по пять с половиной тонн в сутки? Я — не знаю. Вот если бы завтра мы все
собрались улететь на Марс...
5.
Хотелось бы еще раз подчеркнуть, что цифры, приведенные
выше, имеют оценочный характер. То есть наверняка затраты будут намного больше,
а экономическая эффективность — меньше. Такое уже случалось: когда американцы
разрабатывали космическую систему многоразового использования «Спейс шаттл»,
они тоже предполагали снизить с ее помощью стоимость запусков, но в итоге
расходы только возросли, а гибель двух шаттлов с экипажами («Челленджер» и
«Колумбия») вообще поставила крест на этой программе. Представьте себе, что
будет, если космонавтика откажется от ракет в пользу лифта, а потом случится
какая-нибудь катастрофа и лифт не сможет функционировать. Выход тут только один
— нужно строить несколько лифтов (как минимум три), но несколько лифтов еще
повысят расходы и потребуют обеспечить еще больший грузопоток для поддержания
окупаемости.
Замкнутый круг? Да, замкнутый. Который очень легко
разомкнуть — отказавшись от идеи космического лифта.
Эта идея не просто преждевременна, она по сути своей
мифологична и не имеет связи с текущей реальностью. Нельзя сказать, что идея
космического лифта совсем уж бесплодна — именно она породила массу предложений
по проектам тросовых систем в открытом космосе, которые в перспективе позволят
с более высокой отдачей использовать потенциальную энергию космических
аппаратов, двигающихся по разным орбитам, — однако следует помнить: сама по
себе «космическая канатная дорога» столь же далека от реализации, сколь далека
пресловутая нуль-транспортировка.
Развитие космонавтики надолго связано с ракетами. Скажу
больше, самый прямой и экономически выгодный путь — разработка и создание более
совершенных и более мощных ракет. Ведь вопреки расхожим представлениям,
эксплуатируемым многими из современных писателей-фантастов, возможности по
совершенствованию ракет далеко не исчерпаны. Лет через двести об этом
поговорим...
