„Космическият асансьор ще бъде построен около 50 години, след като всички престанат да се смеят.“
Артър Кларк
Космосът се намира само на стотина километра над главите ни, но за жалост достигането до там не е лесно . Ако искаме да изпратим само един килограм товар в ниска орбита около Земята трябва да приготвим сума между 5 000 и 15 000 щатски долара. И за всеки следващ килограм по толкова. Единствената алтернатива за превоз до космоса – космическите ракети – имат една изключително неприятна особеност: около 90% от масата на ракетата е заета от самото ракетно гориво, 6-8% отиват за конструкцията на ракетата и eдва останалото е полезният товар. Т.е. за нещо съвсем малко трябва да се изстреля нещо огромно и скъпо, което не може да се използва повече от веднъж! Това разбира се е изключително неефективно и следва да се замислим няма ли друг начин за достигане поне на близкия космос? Може би има. Ако не друго, то поне идеи не липсват, а най-перспективна безспорно е идеята за космически асансьор.
Тази идея не е оригинална. Всъщност тя циркулира в пространството още от края на 19-ти век, когато е звучала точно толкова фантастично, колкото и тази за направата на космическа ракета. Концепцията е родена в главата на бащата на ракетното инженерство – руският учен Константин Циолковски. Вдъхновен от новопостроената тогава Айфелова кула в Париж, той забелязал, че ако тя се намира на екватора, ако е висока 35 800 km, а не 320 m, т.е. стига до височината на т.нар. геостационарна орбита, и ако някой, заставайки на върха й, пусне нещо от там към земята, то никога няма да падне долу. Защото, докато човек стои на покрива на този „небесен дворец“, както го нарекъл Циолковски, той се движи със скорост, достатъчна за орбитално движение, така че нещо, изпуснато от там, автоматично се превръща в спътник на Земята.
В последвалите десетилетия в ХХ век ракетите били проектирани, построени и изпратени в космическия простор. Небесната кула обаче си останала просто една лековата идея, на която никой не обръщал сериозно внимание. Освен писателите-фантасти. Всъщност това е една от любимите теми на небезизвезстния Артър Кларк. Така например романът му Фонтаните на Рая е изграден върху идеята за подобна гигантска кула, построена на върха на планина в измисления остров Тапробан (базиран на реалния Шри Ланка).
Да, това е литература, но как стои въпросът с реалистичните концепции и има ли въобще такива? Забравете кулите – съвременните представи за космически асансьор са накратко следните: Имаме дълъг кабел – единият му край е захванат за земната повърхност на екватора, а масовият му център се намира в геостационарна орбита. Последното условие е много важно, тъй като в противен случай кабелът би се усукал около Земята.В другия край на кабела има противотежест (космическа станция, малък астероид или просто стърчаща част от кабела), така че масовият център на конструкцията кабел-противотежест да съвпадне с геостационарна орбита. По този кабел досущ като асансьор биха могли да бъдат транспортирани товари и хора бързо, евтино и сигурно. Допълнителна полза идва от факта, че центробежната сила, която изпитва товарът, е обратна по посока на гравитационната и спомага издигането – близо до повърхността ефектът е нищожен, но с набирането на височина става съществен. Центробежната сила е и причината кабелът да не пада на Земята – сметките показват, че сумарно за цялата дължина на кабела центробежната сила превишава гравитационната и го държи опънат.
Опростена схема на конструкцията на космически асансьор
Всичко това звучи достатъчно елементарно – просто един кабел и горе-долу нищо повече. Но какъв кабел само! Той трябва да е дълъг над 36 000 km, което е съпоставимо с обиколката на Земята (40 000 km), и също така да отговаря на следните две условия – да има нищожна плътност и огромна якост. Споменатият Артър Кларк, който има освен писателски заложби и солидни физически познания, изчислява каква точно трябва да бъде якостта на кабела, съобразно теглото му. Тя трябва да е такава, че ако го хванем в единия му край, той да не се скъса от силата на собственото си тегло при дължина на кабела от 4 960 km (тук приемаме гравитационното привличане за постоянно по дължината на кабела). Усилията при 36 000 -километровия кабел с отчитане на промяната на гравитационната и центробежна сила ще са същите.Този относителен параметър, наречен дължина на късане, позволява лесното сравняване на материали с различна плътност и якост. Например дължината на късане на стоманен кабел е само около 26 km – т.е. необходимият материал за кабела на космическия асансьор трябва да има 190 пъти по-добри якостни показатели от стоманата. По-перспективни в това отношение са синтетичните материали кевлар и зайлон с дължини на късане съответно 256 km и 384 km, но те все още са много далеч от нужното. (Тук може да се отвори една скоба – сега съществуващите материали като цитираният зайлон (zylon) са достатъчно здрави за построяването на космически асансьор за по-малко тяло като Луната например. Това е една реална възможност, която може да се осъществи веднага, стига да има кой да даде парите.) Следва да уточним, че тези сметки са в сила, ако кабелът има постоянно напречно сечение. Обаче по-добре е сечението да се увеличава във височина, противно на интуитивните ни представи. Тъй като високо горе центробежната сила е доминираща, по този начин ще се разтовари основата на конструкцията. Въпреки това тази променлива геометрия на кабела не би довела до кой знае какво намаляване на якостните изисквания към материала.
И така – в настоящия момент липсата на подходящ материал за направата на кабела е ахилесовата пета на космическите асансьори. Що се отнася до бъдещето на тази концепция обаче надежда има. Решението се нарича графен – митичният материал, който се очаква да доведе до нова техническа революция. Графенът се изгражда на базата на въглерода и има подобна структура като тази на графита. Уникална негова черта е, че той се състои от наредени един върху друг слоеве въглерод на атомно ниво. Особено интересни са цилиндричните структури от един слой графен – нанотръбички. Тези нанотръбички са най-здравият известен ни материал – поне 31 пъти по-як и 7 пъти по-лек от стоманата. Всъщност графенът е флагманът сред т.нар. наноматерали. След като за първи път бе изследван през 2005 г., отскоро той се произвежда и за целите на индустрията (28 тона през 2010 г.) Засега обаче пред графена има два непреодолими проблема – високата му цена (50 щ.д. за грам нанотръбички) и уязвимостта от дефекти (всяка нееднородност в кристалната структура драстично влошава свойствата на графена). А за една гигантска структура, каквато е кабелът на космическия асансьор, тези два фактора ще са от жизнено важно значение. Което е добър пример за това как мегаструктури зависят от нанотехнологии.
Структура на графена и основни негови разновидности
Пред космическия асансьор съществуват и редица други предизвикателства – въздействието на атмосфера и космос, рискът от удари с микрочастици и сателити в орбита – всичко това трябва да се вземе предвид. Но ако в наше време трябва да платите 25 000 щ.д. на килограм, за да изпратите товар в геостационарна орбита, то космическият асансьор би намалил разходът до 5 – 100 долара/kg – една повече от добра мотивация за развитие на тази идея. Днес никой не се смее, когато се говори за космически асансьори, а това според цитата в началото означава, че до 50 години той ще е реалност.
