Идея космического лифта в настоящее время кажется более осуществимой.
Космический лифт — фантастическая научно-техническая концепция специального устройства по выведению грузов и спутников на планетарную орбиту или за ее пределы с помощью высокопрочного троса, протянутого от земной поверхности к геостационарной орбитальной станции. По тросу должен двигаться подъемник, перевозящий необходимый груз. За пределами геостационарной орбиты за счет центробежной силы лифт будет ускоряться без дополнительных затрат энергии, что позволит даже отправлять его вовне планетарной орбиты. Для сбалансирования собственного веса троса со станции в противоположную сторону должен спускаться другой трос.
В 1960 году идея космического лифта была обоснована и достаточно подробно разработана ленинградским инженером Юрием Николаевичем Арцутановым.
В 1978 году один из известнейших научных фантастов Артур Кларк написал получивший широчайшую известность роман о космическом лифте «Фонтаны рая».
Кларку принадлежит и идея так называемого полулифта — троса, протянутого от аппарата на геостационарной орбите (такие спутники неподвижно расположены над заданной точкой земной поверхности на высоте 36 тыс. км) не до самой поверхности Земли, а только на половину расстояния.
Однако и конструкция космического лифта (полулифта) в той или иной степени требует применения новых высокопрочных материалов. От троса требуется сочетание высочайшей прочности на разрыв (около 20 000 МПа, тогда как у лучших легированных сталей она не превышает 1700 МПа) и малого удельного веса (плотности), ориентировочно втрое легче алюминия.
Так, стальной трос, если его подвесить над поверхностью Земли, под действием собственного веса разорвется при длине около 70 км, углеродные волокна оборвутся при высоте не более 140 км, искусственный материал кевлар продержится около 200 км, кварцевая нить выдержит более 280 км. С учетом «микротяжести» (разности между силой тяжести и центробежной силой, возникающей при вращении на орбите) максимальное натяжение намного меньше полного веса троса — реальная разрывная длина превысит указанную в 4–5 раз. По теоретическим расчетам трос из качественных углеродных нанотрубок может обладать прочностью до 400 кН/мм2.
Лишь для одного троса космического лифта потребуется около 20 млн граммов углеродных нанотрубок высокого качества. С учетом того, что в 2006 году их стоимость составляла 25 долларов за грамм, цена только одного троса в настоящее время составляет более 5 млрд долларов. Стоимость же создания всего лифта оценивается в 7-12 млрд долларов.
Поперечное сечение троса космического лифта само по себе является сложным техническим решением (рис. 48). В середину уложен легкий направляющий жгут 1 из волокон номекса или кевлара. Для передачи электрического тока на его поверхность укладывается тонкая оплетка 2 из медной проволоки, поверхность которой защищена от внешнего воздействия тефлоновым изоляционным материалом 3. Основную механическую нагрузку должен нести высокопрочный слой кевлара 4. Вся конструкция снаружи защищена от ультрафиолетового излучения еще одним слоем номекса 5. Также на поверхность могут быть нанесены различные светоотражающие защитные слои лака 6.
Рис. 48. Конструкция поперечного сечения троса космического лифта: 1 — волокна номекса или кевлара; 2 — оплетка из медной проволоки; 3 — изоляционный материал из тефлона; 4 — несущий слой кевлара; 5 — ультрафиолетовая защита из номекса; 6 — светоотражающее покрытие
При применении углеродных нанотрубок конструкция троса, возможно, будет упрощена за счет их высокой эластичности и токопроводности. При этом отпадет надобность в двух или даже трех внутренних слоях номекса, медной проволоки и тефлона. Однако требования к ультрафиолетовой защите должны быть значительно ужесточены, так как при облучении фотонами даже с энергией значительно ниже видимого света (равной 1,54 эВ) происходит разрушение структуры углеродных нанотрубок.
Будем надеяться, что технический прогресс в XXI веке позволит нам массово производить товары и машины, которые ранее были дорогостоящими, в том числе и из алмазов или наноматериалов. Например, компьютеры, сотовые телефоны и Интернет были фантастикой еще каких-нибудь 50 лет назад, роскошью — 20 лет назад, а теперь они не вызывают даже удивления ни у кого, кроме специалистов и ученых, понимающих, каких вершин мы уже достигли и что может ожидать человечество в будущем.
Еще в 1969 году Ю. Н. Арцутанов предложил не закреплять лифт на земной поверхности. Рассчитав соотношение орбитального движения и вращение связки двух спутников вокруг общего центра масс, можно в определенный момент одним из спутников «зависать» или медленно двигаться у поверхности Земли. При его прохождении над грузовым терминалом с помощью специальных устройств необходимый груз будет захватываться и выводиться на орбиту.
В 1975 году аналогичная система была повторно предложена американцем Гансом Моравеком (Hans Moravec) под названием «несинхронный космический лифт».
Еще более фантастический замысел создания лунного лифта принадлежит советскому ученому и изобретателю в области теории межпланетных полетов, реактивных двигателей и летательных аппаратов Фридриху Артуровичу Цандеру. В 1910 году Цандер предложил протянуть через точку либрации с поверхности Луны к Земле специальный трос (длиной более 60 тыс. км). Такой трос будет натянут гравитационными и центробежными силами, и по нему теоретически будет возможна перевозка грузов. Понятно, что трос будет натянут до тех пор, пока по нему не пойдет грузовой лифт, в этом случае все равно потребуются дополнительные затраты энергии и средств, кроме фантастических затрат на строительство самого троса.
В последние несколько десятилетий из-за очень высокой стоимости ракетных запусков концепцией «космического лифта» заинтересовалось Национальное аэрокосмическое агентство США (NASA). По предварительным расчетам, такой способ в будущем будет на порядок дешевле использования ракет-носителей. Впервые идея практического использования космического троса была реализована в 1966 году в спарке кораблей «Джемини-Аджена» (ленточное соединение), а затем — в 1981–1983 годах в американо-японских экспериментах с зондирующими ракетами. Также в 1987–1990 годах планировалось провести испытания полета орбитального самолета с закрепленным на нем с помощью троса спутником, который был отменен из-за аварии космического челнока «Челленджер».
Космическое агентство США уже финансирует соответствующие разработки американского Института научных исследований, включая разработку подъемника, способного автоматически перемещаться по канату. В частности, NASA недавно объявило тендер на наиболее прочный образец троса из нанотрубок и эффективный способ удаленной подзарядки роботов.
Испытания с укороченным 400-метровым прототипом космического лифта успешно провела частная вашингтонская компания LiftPort, сообщается на сайте PhysOrg.com. Специальный робот в автоматическом режиме поднялся и опустился по «канату», прикрепленному к воздушному шару. К 2031 году LiftPort намерена применить «космический лифт» для коммерческой доставки грузов на орбиту.
Еще раз следует отметить, что все эти разработки смогут быть реально воплощены в жизнь только с развитием нанонауки, в частности молекулярной нанотехнологии сборки углеродных нанотрубок высокого качества.
Однако идеи молекулярной нанотехнологии встречают и сильное противодействие. Наиболее известным критиком является как раз первооткрыватель фуллеренов Р. Смолли, признавший ряд положений молекулярной нанотехнологии (МНТ) Э. Дрекслера. Возникшие разногласия можно будет, вероятно, разрешить в будущем лишь путем эксперимента.
В целом, если не принимать в расчет первый японский «наноавтомобиль» на фуллереновых «колесах», именно невозможность практически изготовить хотя бы простейшие из теоретически рассчитанных деталей (молекул) является наиболее слабым местом молекулярной нанотехнологии.
В следующих главах нами будут подробно рассматриваться известные инкрементные нанотехнологии, находящие все более широкое применение в различных сферах деятельности человечества, в том числе энергетике, электронной промышленности, машиностроении, автомобилестроении, сельском хозяйстве, медицине и косметологии, а также в военной промышленности.
Нанотехнологии и энергоэффективность
Решая проблемы сегодняшнего дня, мы, конечно, должны думать и о будущем, и о том, какого рода энергоресурсы станут основой энергетики будущего.
Д. А. Медведев, Президент Российской Федерации
На сегодняшний день в центре исследований, проводимых учеными в энергетической сфере, стоят проблемы генерирования (преобразования и производства) энергии, ее накопление, передача, а также сохранение.
В настоящее время около 1,6 млрд человек не обеспечены электроэнергией, а у 2,4 млрд единственными источниками энергии и тепла являются сельскохозяйственные отходы и растительные материалы. Использование ископаемого топлива растет и может в ближайшее время удвоиться. С учетом имеющихся запасов природного топлива эта проблема будет с каждым годом только усугубляться.
Согласно прогнозам, спрос на электроэнергию к 2025 году вырастет на 50 %. Более того, по предсказаниям Ричарда Смолли, к 2050 году для удовлетворения своих нужд человечеству будет необходимо удвоить генерирование различных видов энергии.
В настоящее время вклад угля в мировое производство электроэнергии составляет более 37 %, природного газа — 19 %, гидроресурсов — 16 %, АЭС — 16 %, нефти — около 7 %. По прогнозам экспертов, до 2015 года удельный вес газа в мировом электроэнергетическом балансе должен снизиться более чем в три раза, а доля угля, к сожалению, останется на прежнем уровне.
Следует отметить, что соблюдение норм Киотского протокола по снижению выбросов парниковых газов влечет существенное удорожание производства электроэнергии. Затраты на снижение содержания оксида углерода при производстве электроэнергии на тепловых станциях приводят к снижению КПД от 10 до 15 % (в зависимости от применяемых технологий очистки).