В первом эпизоде сериала «Основание» на Apple TV террористы уничтожают космический лифт галактической империи. Прекрасная возможность поговорить о космических лифтах и прикинуть, что может произойти, если такой лифт вдруг взорвётся (спойлер: ничего хорошего).
Людям нравится выводить всякие штуки за пределы атмосферы Земли. Благодаря этому у нас есть погодные спутники, спутники GPS, и телескоп им. Джеймса Уэбба. Однако пока что у нас есть единственная возможность запульнуть что-либо в космос: привязать это к устройству, обеспечивающему контролируемые химические взрывы (обычно мы называем его «ракета»).
Не поймите меня неправильно, ракеты – это круто. Однако это также дорого и неэффективно. Давайте разберёмся, чего стоит подъём килограммового объекта на низкую околоземную орбиту. Это порядка 400 км над поверхностью планеты – примерно там же находится Международная космическая станция. Для этого нужно, во-первых, поднять объект на высоту в 400 км. Однако если просто поднять его туда, он там долго не продержится. Он просто упадёт обратно на Землю. Поэтому, во-вторых, ему придётся довольно быстро передвигаться, чтобы остаться на орбите.
Кратенько напомню, что для изменения энергии системы на определённую величину необходимо влить в неё ровно столько энергии – в физике это называется «работой». Мы можем математически смоделировать разные виды энергии. Объекты обладают кинетической энергией благодаря своей скорости. Если увеличить скорость объекта, увеличится его кинетическая энергия. Гравитационная потенциальная энергия зависит от расстояния между объектом и Землёй. Увеличивая высоту расположения объекта, мы увеличиваем его гравитационную потенциальную энергию.
Допустим, вы хотите использовать ракету, чтобы увеличить гравитационную потенциальную энергию объекта (чтобы вывести его на нужную высоту), а также увеличить его кинетическую энергию (доведя его до нужной скорости). Для этого скорость будет важнее высоты – только 11% потраченной энергии превратится в потенциальную, а остальная будет кинетической.
Общая энергия, которую нужно будет затратить для вывода килограммового объекта на орбиту, составит порядка 33 млн Дж. Для сравнения, чтобы поднять учебник с пола и положить его на стол, нужно потратить порядка 10 Дж. Для выхода на орбиту нужно гораздо больше энергии.
Но на самом деле проблема ещё сложнее. Химическим ракетам нужна энергия не только для вывода объекта на орбиту, но и для вывода собственного веса и веса горючего. И пока горючее не сгорело, оно представляет собой просто дополнительную массу, из-за чего для запуска нужно ещё больше горючего. У реальных ракет 85% массы может составлять одно только горючее. Это совершенно неэффективно.
Что, если вместо запуска объекта на химической ракете, его можно было бы просто поднять на кабеле, идущем прямо в космос? Это было бы возможно при помощи космического лифта.
Основы космического лифта
Допустим, мы построим гигантскую башню 400 км высотой. Можно будет просто подняться на лифте на верхний этаж и выйти в космос. Просто? На самом деле, нет.
Во-первых, невозможно построить подобную структуру из стали – её вес просто раздавит её нижние части. Кроме того, материала потребуется слишком много.
Но и это не самая большая проблема. Вспомним, что для нахождения на орбите требуется большая скорость. Если бы вы стояли на верхушке 400-километровой башни, фундамент которой покоился бы на экваторе, вы бы двигались, поскольку планета вращается. Это похоже на движение человека, находящегося на краю карусели. Поскольку Земля совершает оборот примерно за один день (см. «звёздное время» и «солнечные сутки»), её угловая скорость составляет порядка 7,29 × 10-5 радиан в секунду.
Угловая скорость меряет скорость вращения, а не движение по прямой линии. Если два человека будут стоять рядом на краю карусели, у них будет одинаковая угловая скорость. Допустим, это будет радиан в секунду. Однако при этом если один из них будет стоять дальше от центра, чем другой, он будет двигаться быстрее. Допустим, один из них стоит в метре от центра, а другой в трёх метрах. Тогда первый будет двигаться со скоростью 1 м/с, а другой – 3 м/с. То же и с вращением Земли – можно отдалиться достаточно далеко от поверхности так, чтобы вращением Земли придавало вам необходимую орбитальную скорость.
Вернёмся к человеку, стоящему на верхушке 400-километровой башни. Достаточно ли далеко он от поверхности планеты, чтобы оставаться на орбите? С учётом вращения Земли его угловая скорость составит 2π радиана в день. Может показаться, что это не так уж много – однако на экваторе такое вращение приводит к скорости в 465 м/с. Это 1674 км/ч. Но этого всё равно не хватит. Орбитальная скорость, необходимая, чтобы не падать обратно, на такой высоте составит 7,7 км/с, или 27 720 км/ч.
Есть и ещё один фактор. С удалением от Земли орбитальная скорость падает. При увеличении расстояния от поверхности с 400 до 800 км орбитальная скорость упадёт с 7,7 км/с до 7,5 км/с. Вроде бы немного – однако нужно помнить, что имеет значение орбитальный радиус, а не просто расстояние от поверхности Земли. Теоретически можно построить волшебную башню, достаточно высокую для того, чтобы с её крыши можно было выйти на орбиту – но её высота должна составлять 36 000 км. Так что об этом можно забыть.
Однако есть более интересная и практическая информация. У орбиты высотой в 36 000 км есть особое название – геосинхронная. Один оборот по такой орбите занимает столько же времени, сколько у Земли отнимает один оборот. Если поместить объект на этой орбите над экватором, он будет находиться над одной и той же точкой поверхности Земли (тогда это называют геостационарной орбитой). Это полезно – известно, где этот объект искать. Геостационарная орбита облегчает обмен данными с такими объектами, будь то спутники для передачи видеосигнала, погодные спутники, или спутниковые камеры, которым нужно следить за одной и той же точкой поверхности.
Вернёмся к космическому лифту. Если нельзя построить башню, стоящую на земле, мы можем свесить с объекта, находящегося на геостационарной орбите, трос длиной в 36 000 км. Оп-ля, и космический лифт готов.
Для этого нужно, чтобы на орбите находилась большая масса – космическая станция или небольшой астероид. Масса должна быть большой, чтобы её не стягивали с орбиты объекты, карабкающиеся вверх по кабелю.
Возможно, проблема данной конструкции очевидна. Кому нужен кабель длиной в 36 000 км? Кабель такой длины, даже сделанный из прочнейшего материала типа кевлара, придётся делать слишком толстым, чтобы он не порвался. А чем толще кабель, тем больше будет весить его нижняя часть, и тем толще должна быть его верхняя часть. Подобная задача кажется в принципе неразрешимой. Остаётся одна надежда – найти в будущем какой-нибудь очень лёгкий и прочный материал вроде углеродных нанотрубок. Возможно, мы и сможем построить нечто подобное, но не сегодня.
Что насчёт падающего космического кабеля?
В первом эпизоде «Основания» группа людей решает устроить взрывы, отделяющие верхнюю станцию космического лифта от кабеля. Кабель падает на поверхность планеты, и причиняет серьёзные разрушения.
Как выглядел бы падающий космический кабель в реальности? Смоделировать такое непросто, но можно примерно предположить. Построим модель кабеля, состоящую из 100 отдельных частей. Каждая из них в первый момент времени двигается вокруг Земли с такой же угловой скоростью, как и планета. В реальном кабеле будут действовать силы натяжения. Для простоты мы смоделируем кабель, части которого испытывают только притяжение Земли. Поэтому мы можем просто построить модели движения каждой из 100 частей.
Вот, как это будет выглядеть:
Что тут происходит? Обратите внимание, что нижняя часть кабеля просто падает на Землю, вероятно, нанося ей серьезные разрушения. В модели кабель оборачивается вокруг экватора на треть, но полноценный кабель обернулся бы почти целиком вокруг Земли, поскольку длина её экватора составляет 40 000 км.
Вероятно, некоторые части кабеля не долетят до Земли. Они начнут падать с большой высоты, и их скорость будет увеличиваться при приближении к поверхности. Вероятно, эти части просто разгонятся достаточно сильно для того, чтобы выйти на некруговую орбиту вокруг Земли. Для жителей экватора это будет лучшим вариантом – пусть этот кабель станет космическим мусором, чем упадёт им на головы.
Конечно, одни части кабеля будут тянуть за другие, в результате всё больше кабеля будет падать на Землю, и в какой-то момент эти силы окажутся достаточно велики для того, чтобы разорвать кабель.
Получается, что космический лифт и построить сложно, и нельзя допустить, чтобы этот кабель порвался и упал на Землю. Может, и хорошо, что мы ещё находимся в ракетной фазе освоения космоса.
Комментарии (116)
keydach555
15.02.2022 00:16+27Построить космический лифт не вопрос, главное как сделать так, чтобы в нем инопланетяне не ссали )
EugeneH
15.02.2022 00:34+15Для простоты мы смоделируем кабель, части которого испытывают только притяжение Земли. Поэтому мы можем просто построить модели движения каждой из 100 частей.
Довольно странные допущения для модели. Если не учитывать силы натяжения в падающем кабеле, достоверность результата выходит сомнительная.
Вот тут смоделированы сценарии разрушения лифта в зависимости от точки разрыва:
https://www.zmescience.com/science/physics/broken-space-elevator/
Видно, что при некоторых вариантах большая часть лифта улетает в космос, что стало неожиданностью для автора симуляции.
Tyusha
15.02.2022 08:49+6Там у него в космос улетает часть троса, которая является противовесом, т.е. та часть, которая находится выше геостационарной орбиты. Чему тут удивляться?! Противовес гораздо длиннее, он составляет 2/3 от общей длины. То, что ниже геостационара, ожидаемо почти целиком падает на землю.
Sly_tom_cat
15.02.2022 15:15Там же несколько сценариев.
И есть вполне себе безопасные (отрыв в точке крепления к земле) и совсем печальные, когда троссом накрывает практически всю длинну экватора.
Так что я из этих моделей сделал вывод что самым правильным будет при любой нештатной ситуации с лифтом сразу рубить канат со стороны земли. Так во многих ситуациях можно обезопасить несчастный экватор.
SlimShaggy
15.02.2022 22:53А почему этот трос должен привести к каким-то масштабным разрушениям? Если это обычный трос. Или он будет с Останкинскую башню толщиной?
BugM
15.02.2022 23:07Все что угодно падающее с орбитальной скоростью взрывается при ударе или в воздухе если непрочное (это не наш случай)
Если у вас есть хотя бы небольшой камушек который вы можете разогнать хотя бы до 1% скорости света вам уже вообще ничего в виде оружия больше не нужно. Этот камушек будет страшнее всего вообразимого.
SlimShaggy
15.02.2022 23:27С орбитальной скоростью может падать только верхняя часть троса, которая при этом сгорит в атмосфере. А нижняя будет падать просто как тело, поднятое над землей (и если наберет слишком большую скорость, то тоже сгорит).
BugM
16.02.2022 00:03Нижняя это пара сотен километров так чтобы с запасом? Лифт должен быть дальше геостационарной орбиты. Это 40.000 километров. Первой парой сотен километров можно пренебречь.
Горит оно не очень. У нас же рельсы для вагончиков стальные всякие, трос сверх прочный. Долетит до поверхности.
SlimShaggy
16.02.2022 00:15Горит оно отлично, и металл и камень. Там многие тысячи градусов получаются, метеорные тела меньше 20 м в диаметре как правило не долетают до поверхности, а тут какие-то рельсы. А сверхпрочный трос обычно предлагают из углеродных нанотрубок делать - углерод еще в не особо плотных слоях пыхнет.
BugM
16.02.2022 00:30Метеориты они пористые и непрочные обычно. Это совсем не кусок гранита.
Металл как раз отлично долетает. Даже Старлинк спутники доделывал чтобы не долетали. А спутник Старлинка вообще не силовая конструкция.
Силовые конструкции падают и долетают регулярно. Баки, например, падают как целые с виду (видел класную фотку баков упавших с орбиты, но нати не могу). Это тоже не то чтобы прям сталь толстая тугоплавкая. У типичного рельса сгореть шансов около нуля.
Radisto
16.02.2022 10:18метеориты есть и прочные, и очень прочные, даже металлические. И далеко не все они долетают. просто на орбите скорость орбитальная, заведомо меньшая 11,2 км/с (на самом деле даже меньше орбитальной, конструкции еще и замедляют, чтобы они в атмосферу вошли), а у метеоритов скорость может быть от 11 до 70 км/с. Соответственно, девление и температура при входе в атмосферу будут значительно больше
Popadanec
16.02.2022 11:57Вот только единственный(на данный момент) потенциально возможный материал для космического лифта это углеродные нанотрубки, а углерод горит очень хорошо.
aret777
15.02.2022 01:59-1К сожалению, врятли человечество согласится вывести астероид большой массы на орбиту земли чисто из соображений безопасности.
А жаль, была бы более доступная луна, место для отработки космического производства и промышленности, а полости под базу МКС пристроить...
Но даже 500м астероид, вроде немного места, но упав на землю, он устроит апокалипсис((
TheShock
15.02.2022 04:44К сожалению, врятли человечество согласится вывести астероид большой массы на орбиту земли чисто из соображений безопасности.
Из каких соображений безопасности?
Но даже 500м астероид, вроде немного места, но упав на землю, он устроит апокалипсис((
Почему астероид на высокой орбите должен упасть? Вы ведь не боитесь, что Луна на вас упадёт?
Popadanec
15.02.2022 12:29Он не то что не упадёт, а наоборот улетит при обрыве троса в любом месте(потому что находится выше геостационарной орбиты), утянув за собой всё выше точки разрыва(даже если он был на уровне земли, т.к. трос натянут).
А вот часть троса ниже точки разрыва упадёт как попало, потому что трос натянут, плюс вращение Земли.
MyshinyjKorol
15.02.2022 11:35+1Невозможность космического лифта вовсе не в безопасности астероида да и самого лифта, а в невозможности материала, который для этого нужен. Даже пресловутые нанотрубки подходят на пределе теоретической возможности и без учета динамических процессов в лифте. Вопрос их изностойкости при ползании по тросу грузов и вовсе не рассматривается.
Ilya81
16.02.2022 11:58+1Возможен ещё аналог графена из бора, прочность та ж, а масса меньше. Так что, полагаю, со временем что-то придумают, может, конструкция с частичным использованием графена. Естественно, жилы этого троса придётся менять по мере их износа. И, конечно, грузоподъёмность будет не больше 10% от массы троса. Да и с описанной в статье проблемой - можно что-то придумать, чтоб минимизировать вероятность одновременного обрыва всех жил троса, а ещё можно добиться большой парусности, чтоб при падении замедлились.
NumLock
15.02.2022 02:28-3Во-первых, невозможно построить подобную структуру из стали – её вес просто раздавит её нижние части. Кроме того, материала потребуется слишком много.
.....
Вернёмся к человеку, стоящему на верхушке 400-километровой башни. Достаточно ли далеко он от поверхности планеты, чтобы оставаться на орбите? С учётом вращения Земли его угловая скорость составит 2π радиана в день. Может показаться, что это не так уж много – однако на экваторе такое вращение приводит к скорости в 465 м/с. Это 1674 км/ч.
На конец башни будет действовать такая центростремительная сила, что ни один человек там не выживет.
Сама идея космического лифта заключалась в том, чтобы гравитационная сила действующая на трос уравновешивалась центростремительной действующей на него. Достаточно поднять спутник до точки где центростремительная сила скомпенсирует гравитационную. Дальше сам спутник начнёт ускорение от земли.
Возможно трос как таковой создать не удастся. Но можно попробовать создать энергетическую "трубу" от которой будут получать энергию магнитные левитирующие платформы. Потребуется уйма электрической энергии, которая по проекту должна заменить химическую.
VelocidadAbsurda
15.02.2022 02:51+4Каким образом на человека на башне может подействовть центростремительная сила? Разве что его в качестве звена в трос включить. Если имелась в виду центробежная, то на 400км высоты она будет всё ещё сильно слабее силы притяжения Земли (равновесие и, как следствие, невесомость, от которой пока не умирали, наступят на упомянутых в статье 36 тыс.км. На 400 будет просто "некоторая лёгкость в теле").
Wesha
15.02.2022 03:26+2Уважаемый, Вы тут всё в одну кучу намешали. В инерциальной системе отсчёта (каковой связанная с поверхностью планеты, то есть вращающаяся, не является) все тела стремятся сохранять свой импульс, то есть либо продолжать двигаться равномерно и прямолинейно, либо оставаться в покое, а "центростремительная" сила — это та, которая "стремит (устремляет) к центру", то есть эта самая гравитационная (частично) и есть (плюс собственно сила натяжения троса). Если же мы переходим в систему отсчёта, связанную с вращающейся планетой, то у нас возникает псевдо-сила, известная нам как "центробежная", которая стремится заставить трос "убежать от центра вращения", хотя на самом деле трос всего-навсего пытается остаться в покое (или двигаться равномерно и прямолинейно) — да вращающаяся планета не пускает.
Flammar
15.02.2022 03:10Тут интереснее другая идея: поднять стартовую площадку для ракеты на такую высоту, чтоб можно было запускать ракету сразу из горизонтального положения, чтоб, грубо говоря, за время падения на землю она успела разогнаться до первой космической скорости. Как раз где-то 400 километров и будет...
Wesha
15.02.2022 03:32-1а время падения на землю она успела разогнаться до первой космической скорости
.... часть которой у неё по пути отберёт атмосфера, а потом ваш космический, прости госсподи, аппарат вспомнит, что Земля — не материальная точка (а то б сработало, и он вышел бы на эллиптическую орбиту, да), а очень даже шарик радиусом 6371 км, и с горя от этого осознания выроет в её поверхности неплохой кратер.
Tyusha
15.02.2022 09:03+2Разгоняясь и падая в атмосферу, можно использовать подъёмную силу и ловко изменить вектор скорости. Но в любом случае, если "планеру" стартовать с 400-метровой башни, то максимум можно получить 2 км/с.
Однако даже это даст огромный выигрыш по формуле Циолковского: массу ракеты для вывода такого планёра на орбиту можно сократить в 3-4 раза.
Flammar
16.02.2022 16:33Теоретически, ускорение до 2 км/с с сокращением потребной для вывода на орбиту массы топлива в 2-4 раза неплохо было бы получить на каком-нибудь гиперзвуке....
alisovski
15.02.2022 11:16+1@Flammarне имел в виду, что ракета будет пассивно падать вниз с 400-км высоты. Предполагается разгон вдоль горизонта. Какую-то часть высоты потеряем, но до того, как начнем цеплять за атмосферу, можно успеть разогнаться.
mrzim
15.02.2022 18:41Тогда топливо будет тратиться на поддержание горизонтального полета. Или вы также наличие крыльев у ракеты со всеми органами управления? Это дополнительная масса...
Flammar
16.02.2022 16:23Ускорение предполагается ~ такое же, как при обычном старте ракеты - 4-10 g, ~8000 м/с за ~200 секунд.
Flammar
16.02.2022 16:21Да, предполагается работа двигателей по разгону вдоль горизонта или с небольшим отклонением вниз в течение всего времени падения.
DopeBat
15.02.2022 13:46+3А как ракета будет попадать на эту стартовую площадку, при помощи подсобного космического лифта?
ClearAirTurbulence
15.02.2022 19:40Тоже мне, бином Ньютона! На площадке надо сделать 3д принтер и печатать ее на месте, а порошок для печати, топливо, и окислитель подавать по шлангу. В качестве шланга использовать полый трос лифта.
/S
Flammar
16.02.2022 16:28Это отдельный вопрос. Тут прикол в том, что, например, вертикальные горы (из базальта) с отвесными стенками (да, несколько идеальный случай, но всё же) на Земле возможны высотой максимум 10-15 км (10 - разрушение основания базальтового столба его весом, 15 - расплавление базальта при опускании на высоту горы за счёт конвертации потенциальной энергии через трение в тепло).
AKudinov
15.02.2022 06:53+4Хм... Вот какой вопрос меня интересует. Линейная скорость "кабины" лифта, вызванная вращением вокруг центра Земли, на верхней станции (на орбите) значительно превышает таковую на нижней станции (на поверхности Земли). Теперь представим себе, как "кабина" начинает подъём от нижней станции. Она не только должна набирать высоту (её тянет наверх "трос" лифта), но и линейная скорость, направленная горизонтально, тоже должна увеличиваться. С 1600км/ч до 27000км/ч. За счёт чего будет обеспечиваться такое горизонтальное ускорение? Видимо, за счёт изгиба троса. Но, в таком случае, его концы будут тянуть точки закрепления горизонтально в направлении, противоположном горизонтальному ускорению кабины. И, если с нижней точкой всё более-менее понятно, она прикручена к большой и тяжёлой Земле, то с верхней точкой возникнут проблемы, она же просто затормозит предмет, за который закреплена, и вся наша конструкция начнёт сходить с орбиты, намотав трос на земной шар.
etoropov
15.02.2022 07:35Мне кажется, или трос за счет своей массы и так намотается, ровно из-за того же?
Ну или можно его к луне привязать.
Wesha
15.02.2022 08:22+1Посмотрите на свой велосипед - спицы ж на ступицу не наматываются?
Артур Кларк на самом деле очень хороший способ постройки троса предложил: выводим на геостационар астероид, а из его материала делаем нанотрубки, один конец сплетённого из них каната опускаем вниз, на Землю, другой - наверх, в космос. Центр масс конструкции остаётся там же, откуда начали: на геостационаре.
Radisto
15.02.2022 10:55Наматываются, если убрать жесткий обод
Wesha
15.02.2022 11:41Это если вращение ступицы ускоряется или замедляется. Чего с Землёй пока что вроде как не просходит.
Radisto
15.02.2022 13:08+1Ну тут речь не о ступице кажется идет, а о спице (если я ещё не потерял 6ить разговора). Пока лифт висит стационарно, он кажется устойчив, но он же не нужен, чтобы просто висеть, он должен поднять груз на орбиту, а этот груз будет тормозить его. И вот тут лифт кажется и намотает
Wesha
15.02.2022 19:28Ну, если так рассуждать, то запуск каждой ракеты в космос тормозит (или ускоряет) вращение планеты. Однако на практике это влияния пренебрежимо мало.
Radisto
15.02.2022 21:26+1Пренебрежимо мало для планеты. Лифт будет весить значительно меньше планеты, для него подъем груза уже не пренебрежим, в перспективе масса грузов будет как минимум соизмерима с массой самого лифта иначе нет смысла его вообще строить
ksbes
15.02.2022 08:28+8За счёт чего будет обеспечиваться такое горизонтальное ускорение? Видимо, за счёт изгиба троса.
Поздравляю! Вы «изобрели» силу Кориолиса!Но, в таком случае, его концы будут тянуть точки закрепления горизонтально в направлении, противоположном горизонтальному ускорению кабины. <...> то с верхней точкой возникнут проблемы, она же просто затормозит предмет, за который закреплена, и вся наша конструкция начнёт сходить с орбиты, намотав трос на земной шар.
Не совсем так: запасённая кинетическая энергия троса и противовеса будет такой, что её так просто кабиной лифта не обнулишь. Лифт не упадёт, а начнёт раскачиваться, как маятник (точнее — начнёт раскачиваться ещё сильнее) — та же сила Кориолиса это и обеспечит. Так что да — на противовесе и на кабеле нужны будут двигатели для «выравнивания» и гашения колебаний и волн.Ну или можно его к луне привязать.
Нельзя. По соображениям безопасности.Radisto
15.02.2022 10:54+4Для соблюдения закона сохранения энергии. Потенциальную энергию телу обеспечит подъемник лифта, а кинетическую придется обеспечивать тросу, разгоняя тело перпендикулярно линии подъема, автор статьи говорит, что на это надо почти 90% всей энергии. Будь это жеский стержень, торчащий из планеты, энергия взялась бы из вращения самой планеты, но трос этот механический момент не передаст, он будет передавать свою, энергию теряя собственный момент движения
Radisto
15.02.2022 08:25+2Кажется, лифт будет стационарным, только если ничего на нем не поднимать)) если поднимать, то придется двигатели ставить и разгонять приемный пункт на геостационарной. А для этого нужно будет топливо, а для его подъема тоже топливо и система по идее будет хоть и эффективнее ракеты, но не так намного как кажется? Может найдется человек, разбирающийся в орбитальной динамике, и объяснит. Мне вот кажется, что вы задали хороший вопрос
ZhilkinSerg
15.02.2022 10:23Топливо будет не химическое и то хлеб.
AKudinov
15.02.2022 10:50А какое будет топливо?
ksbes
15.02.2022 11:51Ксенон + солнечные панели (+аккумуляторы или, даже, реактор, для противовеса) раз в год-полгода можно и завести новое.
Вообще, космически лифт будет и не нужен, если у нас будут двигатели со скоростями истечения порядка 10-20 км/с и мощностью в мегаватты (сейчас либо то — либо это). Но такой аппарат слишком опасен для применения в атмосфере (это что-то покруче мултимельты для титанов из WH40K получается). Так что для развитой цивилизации такой лифт (или иной мегапроект запуска — там петля и т.п.) всё ещё будет актуален.Radisto
15.02.2022 21:51Для снижения поперечной нагрузки на трос кажется выгодным будет ставить двигатели на капсулу, чтобы компенсировать потерю момента во время подъёма не от троса. Тогда и топлива на орбиту можно не везти, то есть везти, но оно потратится по дороге. За пределы атмосферы только за счёт троса поднять, в атмосфере такие движки все равно не запустить
AKudinov
16.02.2022 07:11Давайте прикинем.
Для подъёма 1кг груза на высоту 36000 км необходимо затратить 9,8*3,6*10^7 = 3,5*10^8 Дж. В то же время, для разгона этого же груза до орбитальной скорости 7,5 км/с необходимо затратить ((7,5*10^6)^2)/2 = 2,8*10^13 Дж. Построив лифт, мы можем тратить энергию на подъём не сжиганием химического топлива, а, например, электричеством и т.п. А энергию на разгон (которая, внезапно, в 10^5 раз больше) придётся всё также получать, сжигая химическое топливо в двигателе на капсуле.
В чём же выгода лифта?Radisto
16.02.2022 10:09если ионный двигатель поставить, то сжигать можно ту же энергию, что и на подъем (как-то она у всех по волшебству в кабине оказывается, сверхпроводящие шины или лазер с земли, в комментариях уже предлагали варианты), а рабочее тело - газ какой-нибудь, для ионника его надо значительно меньше. минус такой схемы: не везем все рабочее тело на геостационарку и не натягиваем перпендикулярной нагрузкой трос, но тащим а себе балласт в виде двигателя и на порядок(или больше) увеличиваем энергопотребление кабины.
AKudinov
16.02.2022 10:13Тяга ионного двигателя крошечная, потому кабину поднимать придётся оооочень медленно. Значит, придётся тащить запас еды, воды, баки для нечистот и спальные места для пассажиров.
:-DIlya81
16.02.2022 12:25В увеличении тяги ионных двигателей вроде фундаментальных препятствий нет? Понятно, что это технология не ближайших лет, пока что промышленное производство графена только начинается, а нужно уж как минимум соединять части графенового троса прямо на орбите.
А вот в качестве пассажирского транспорта космический лифт имеет проблемы - нереально быстро проскочить радиационные пояса.
AKudinov
16.02.2022 12:51Тогда зачем нам трос? Ставим прокачанный ионный двигатель на кабину лифта, и летим себе, куда хотим.
Ilya81
16.02.2022 13:11А энергию для тяги он откуда возьмёт? Всё равно придётся за собой либо кабель тащить на время разгона, либо брать энергоноситель с собой, но чем он может быть, кроме химического топлива? Либо солнечные панели невообразимых размеров нужны, но для таких и прочности аналога графена из бора вряд ли хватит.
BugM
16.02.2022 10:52+1Орбитальная скорость получится сама собой. Точка прибытия геостационарный спутник же.
При подъеме лифт будет немного тянуть вбок, но по сравнению с его массой масса любого вагончика не проблема.
AKudinov
16.02.2022 11:00+2Так в том-то и дело, что орбитальная скорость получится не "сама собой", а потому, что лифт будет тянуть в бок. И сила боковой реакции троса как раз и должна будет обеспечить разгон до орбитальной скорости.
Теперь вспомним, что для идеальной невесомой горизонтальной нитки, в центре которой висит груз массой, сила натяжения нитки F=m*g/sin(phi), где phi -- угол прогиба нитки (0 при строго горизонтальной нити). Т.е. при малых углах прогиба натяжение будет очень большим даже при небольшом весе груза.
Т.е. боковая реакция троса приводит к колоссальному росту натяжения конструкции (которую мы пока даже просто повесить не можем), не говоря о том, что трос будет стремиться стащить точку закрепления с орбиты вниз и замедлить её по касательной.BugM
16.02.2022 11:18Если считать трос не ниткой, а физическим обьектом порядка метра в диаметре, то это все ерунда получается. И натягивать идеально не стоит. Прогиб это нормально для протяжённых конструкций.
Radisto
15.02.2022 10:54Рабочее тело привозить все равно придется
ClearAirTurbulence
15.02.2022 19:43+2Делаем трос полым, используем как шланг )
Расчеты мощностей насосов и температурных режимов прокачиваемых жидкостей или газов выделяем в отдельный вид специальной олимпиады.
drWhy
15.02.2022 21:36Так это, самотёком же — на том конце шланга — вакуум. Вода не пройдёт, а луц — со свистом (гиперзвуковым). Только успевай чатлы считать да конкурентов отгонять.
Radisto
15.02.2022 21:46+1На том конце атмосферы тоже вакуум, но она все же не улетает. Гидростатическое давление газа внутри шланга длиной до геостационарки для воздуха будет выше атмосферного, для ксенона тем более, думаю, самотеком от потечёт обратно на планету
drWhy
15.02.2022 22:28Так и знал, что Джарру в ЛВЧ безосновательно за скачивание озона из земной атмосферы взяли.
Ilya81
16.02.2022 12:15Ну так противовес можно сделать гораздо тяжелее поднимаемых грузов, можно солнечными парусами или ионными двигателями при необходимости корректировать, в конце концов конституцию с подвижным противовесом можно придумать.
alisovski
17.02.2022 10:12Оставьте, пожалуйста, Конституцию в покое, а то что-нибудь обнулите не то.. :(
Tyusha
15.02.2022 09:26+10То, что приведено в статье — это не моделирование троса, а ерунда — падение отдельных материальных точек. Кинематика, не говоря уж о динамике, такого цельного троса (или крупных его отрезков) очень сложна, даже если он нерастяжим. Но на таких масштабах упругость и деформация очень существенны. Там будет сложнейшая зоология колебаний в процессе падения.
idelgujin
15.02.2022 09:39Нужен спутник на геостационарной орбите и "верёвочка", которая будет с него спускаться к Земле. Тогда к этому спутнику можно будет доставлять мелкие грузы, а это уже огромное удешевление космических пусков. Та страна, которая это создаст, станет новой сверхдержавой.
Nacreous1991
15.02.2022 15:32Вес 1км швейных ниток составляет 25грамм. Итого эта Верочка должна весить тонну. Никакая верёвочка не выдержит такого веса
idelgujin
16.02.2022 02:08+1Из углеродных нанотрубок почему бы и нет?
ClearAirTurbulence
16.02.2022 11:15Пока не придумали, как такие тросы из них делать, как делать их в нужном объеме, как делать это за разумные деньги, как их за разумные деньги понимать к противовесу, как припарковать на орбите противовес, как сделать трубки прочнее, потому что текущие то ли недостаточно прочны, то ли на грани, а тут нужен запас прочности, желательно в n раз.
Ну и ещё пара небольших проблем.
Popadanec
16.02.2022 12:00Космический лифт строится от центра тяжести, т.е. с геостационара. А значит нужна фабрика и материал из космоса. К примеру пригнать метеорит который заодно будет противовесом и из него же делать трос, станцию, корабли.
Ilya81
16.02.2022 12:34Понятно, что космический лифт - проект второй половины нынешнего века в лучшем случае, и уж точно не ближайших лет. А противовес можно по самому тросу и поднять, как и дополнительные жилы самого троса. Первоначальный противовес можно сделать совсем небольшим, а остальное поднимать по тросу.
wavebvg
15.02.2022 10:31+1А почему никто не приводит прочностные расчёты? Трение о воздух? Зачем эти мечты, если основная проблема не в возможности (да, космический лифт возможен!), а в том, что для реализации нет материалов, а при эксплуатации потребуются серьёзные затраты, которые явно выше текущего способа выведения на орбиту:
avkudrin
15.02.2022 13:31+11Минутка занудства: кабелем на русском обычно называют электрический кабель, то, что по-английски называется wire. Английское слово cable стоит переводить на русский как "трос". Читать не мешает, но эффект плохого перевода, когда слова и словосочетания приходится переводить обратно на английский, чтобы быть уверенным, что все понял правильно, раздражает.
Wesha
15.02.2022 19:34+1Поздравляю, Вы прошли тест на интеллигента.
Интеллигент всегда может отличить Гоголя от Гегеля, Гегеля от Бебеля, Бебеля от Бабеля, Бабеля от кабеля, кабеля от кобеля, кобеля от суки, а суку — от женщины лёгкого поведения. (c) Жванецкий.
vak0
16.02.2022 00:21Витая пара на русском, по вашему, это кабель или трос? https://en.m.wikipedia.org/wiki/Category_5_cable
avkudrin
16.02.2022 18:20Если вы космический лифт не собираетесь на витой паре подвешивать, то я не понимаю к чему ваш вопрос. Контекст важен для перевода, да. :)
Tsimur_S
16.02.2022 09:16www.collinsdictionary.com/dictionary/english/cable
На первом месте там явно не трос стоит.
A cable is a thick wire, or a group of wires inside a rubber or plastic covering, which is used to carry electricity or electronic signals.AKudinov
16.02.2022 11:22+1Чтобы никого не обидеть, придумали "кабель-трос" (http://www.kvvg.ru/cable-sudovoi/kgr-7-12m.php) :-D
avkudrin
16.02.2022 18:27+1Возможно, мне нужно было в ОП написать что-то вроде "в данном случае стоит переводить как трос", да. А так, настоящего занудства не получилось :)
drWhy
15.02.2022 16:02+2Оставлю на всякий случай ссылку на страничку Википедии об успехах соревнований по космическому лифту.
Вкратце — если в ползании есть какие-то достижения, то собственно с производством троса пока всё глухо, хотя в 2009 году предлагалась награда в $2M. Так что какое-то время разрушения троса можно не опасаться — орбитальный трос пока что сродни волшебным бобам. Углеродные трубки пока не длиннее нескольких сантиметров, непонятно как их сращивать, переплетать, как вообще удерживать и как при этом не вдыхать.
В общем, материаловедам и технологам есть над чем поработать.
Sun-ami
15.02.2022 16:53Не пойму, в чем проблема. Да, несколько сот тысяч километров тросса упадет. Но ведь на Земле хотят построить именно тросс-ленту шириной порядка одного сантиметра, и переменой толщины, или несколько таких тросов, а не массивную тросс-башню из "Основания" шириной в сотни метров. Падая, тросс сантиметровой ширины будет хорошо тормозиться атмосферой, ведь его удельная масса невелика.
BugM
15.02.2022 20:32Никто ничего не может построить. Материалов нет. Это все умозрительные построения.
Бытовая логика говорит что по тросу мы хотим возить людей и грузы. А иначе для чего он? Путешествие в 40.000 километров замет дни при любых разумно фантастических технологиях. Значит постель, туалет, вода, еда воздух, душ. Получаем габарит вагончика сравнимый с жд вагоном. Добавляем двухстороннее движение (неразумно иначе выходит) и получаем требуемые габариты троса вполне себе значительные. Не сантиметры или миллиметры точно. Даже не думая о его прочности и материалах.
Sun-ami
15.02.2022 21:28Прочность углеродных нанотрубок — 40 ГПа. Из менее прочного материала нет смысла делать космический лифт, даже такая прочность считается недостаточной. Лента сечением 10х1мм с прочностью на разрыв 40 ГПа может выдержать вес 40 тонн. Пустой стальной железнодорожный вагон весит около 20 тонн, но для космического лифта нет смысла делать стальной вагон. Алюминиевый вагон таких размеров с хорошо продуманной конструкцией будет весить не более 10 тонн, и значит он может нести не менее 10 тонн полезной нагрузки с двукратным запасом прочности. Если нужна большая пропускная способность — можно построить несколько лифтов, и для спуска можно использовать другой лифт.
BugM
15.02.2022 22:13Я не про несущую часть. Ее можно считать сколько угодно тонкой. Я про все навесное.
Пара токопроводящих рельсов. Даже из сверхпроводника они приличные выходят, чтобы столько мощи гонять через себя.
Что-то несущее от чего вагоны отталкиваться будут. Тут банальная механика запрещает слишком тонким это делать.
Эвакуационные выходы. На случай если электричество отказало нужно место где люди хотя бы неделю подождать спасателей могут. Ни один надзор без такого не допустит к эксплуатации.
Чтобы встречные вагоны разъежались нужна ширина. Несколько лифтов не особо вариант. Рядом нельзя из-за колебаний, а далеко у нас всего 3 места на планете подходящих.
Ну и защита от повреждений. Преднамеренных и непреднамеренных. Как ее сделать без размеров побольше особо непонятно.
Вот и получается что будет чему упать из чего несущую часть ни строй
Sun-ami
16.02.2022 00:38Энергообеспечение — это проблема. Возможно, подойдёт передача энергии лазерами с орбитальной солнечной электростанции на противовесе. Внизу, там, где возможны облака, можно использовать контактный способ передачи энергии с пониженной скоростью движения кабины из-за ограничения тока.
Отталкиваться можно от самой несущей ленты, зажав её между приводными роликами. Возможно, понадобится тонкое покрытие для лучшего сцепления, но оно много не весит.
Если электричество отказало — кабина может спуститься под собственным весом.
Подходящих мест на планете — целый Мировой океан. Снизу лента не должна крепиться жестко, а должна иметь запас, намотанный на барабан с натягом — это компенсирует качку и изгиб ленты под действием ветра.
Основная защита от повреждений — запас прочности, и её непрерывный мониторинг, с переходом от эксплуатации к эвакуации ремонту сразу после обнаружения повреждений. основной вид повреждений в космосе — отверстия от микрометеоритов, благодаря плоской форме мелкие отверстия маловероятно снизят прочность до уровня обрыва под весом кабины. Для мониторинга можно использовать отражение звука, распространяющегося в ленте, от повреждений (звуковую рефлектометрию), или электромагнитную рефлектометрию. В атмосфере нужна защита от атмосферной эрозии, но тонкая.BugM
16.02.2022 01:15+1Вы же представляете себе рассеивание лазера на расстоянии в 40.000 километров? Какое там пятно будет?
Почитать тут можно https://worldbuilding.stackexchange.com/questions/32549/attenuation-of-a-laser-in-space и тут https://www.insidescience.org/news/how-far-can-laser-light-travel Если придерживаться разумной научной фантастики, то у вас на десятках тысячах километров будет пятно в сотню метров диаметром. Да это в космосе.
Ну и прием хотя бы 100квт электрической мощности от лазера? Вам надо тепло превратить в электричество и сбросить куда-то лишнее тепло. Физику не обманешь, как не фантазируй. На пони лишнее тепло вывозить я не согласен.
Я придерживаясь разумной степени научности фантастики понятия не имею как эти проблемы решать. А вот сверхпроводящий рельс в мою научную фантастику укладывается. Он как раз прмерно наравне с несущим материалом для лифта, или даже реалистичнее.
Если электричество отказало — кабина может спуститься под собственным весом.
И опять тепло от торможения вам девать некуда. Резисторы которые столько тепла рассеют великоваты по размерам выходят. Колодки тем более.
Подходящих мест на планете — целый Мировой океан. Снизу лента не должна крепиться жестко, а должна иметь запас, намотанный на барабан с натягом — это компенсирует качку и изгиб ленты под действием ветра.
В океане даже простейший аэропорт строить немного неудобно. И эксплуатировать тоже как-то не очень приятно. Еще всякие муссоны и торнадо бывают, экватор же. А прикрепить вам всю вашу инфраструктуру не к чему. Не лучшая идея в общем.
Sun-ami
16.02.2022 15:41Из лазеров можно создавать сфазированные лазерные поля, по сути расщепляя один луч на много оптических волокон, а затем усиливая в разнесенных в пространстве волоконно-оптических усилителях. Таким образом можно получить гораздо более узкий луч, это предлагали использовать при разгоне микроаппаратов с зеркальным парусом для полётов к другим звёздам лазерами на Земле. В случае с лифтом лазерное поле может иметь размеры в сотни метров, и этот луч может динамически фокусироваться в минимальное пятно только на текущей высоте кабины, что даёт некоторую защиту от перегрева им на земле и других кабин на том же тросе.
Другой вариант — микроволновая передача энергии, здесь можно получить больший КПД, но сложнее фокусировать луч.
Тепло можно сбрасывать вынесенными в стороны радиаторами при высокой температуре, подобно радиаторам ядерного космического буксира. Резисторы не будут очень большими, если это будут вольфрамовые пластины, разогретые докрасна.
А сверхпроводящие шины нужно охлаждать до криотемператур, на мой взгляд, это малореально на такой длине.
К аэропорту в океане на самом деле больше требований, чем к базовой платформе лифта — при посадке самолётов критична качка и ветер.
А на время штормов и тайфунов можно прекращать работу лифта, и отсоединять от него платформу а потом ловить конец троса, когда ветер стихнет. Для этого нужно кроме стационарного противовеса иметь подвижный противовес, чтобы регулировать им натяжение троса.BugM
17.02.2022 00:05+1А сверхпроводящие шины нужно охлаждать до криотемператур, на мой взгляд, это малореально на такой длине.
Конечно же нужна высокотемпературная сверхпроводимость. И не как сейчас, а нормально высоко. Мы же про разумную научную фантастику.
Тепло можно сбрасывать вынесенными в стороны радиаторами при высокой температуре, подобно радиаторам ядерного космического буксира. Резисторы не будут очень большими, если это будут вольфрамовые пластины, разогретые докрасна.
Машина Карно требует требует разницу температур между нагревателем и холодильником. У вас холодильник это вольфрамовые пластины. Нагреватель должен быть из адамантиума минимум.
Разумная фантастика тут не поможет. Это совсем базовая штука, которая не улучшается без эльфов. Других вариантов превращения тепла в электричество нет. Без рабочего тела (а это смысл лифта) двигаться можно только на электричестве в таких условиях.
К аэропорту в океане на самом деле больше требований, чем к базовой платформе лифта — при посадке самолётов критична качка и ветер. А на время штормов и тайфунов можно прекращать работу лифта, и отсоединять от него платформу а потом ловить конец троса, когда ветер стихнет. Для этого нужно кроме стационарного противовеса иметь подвижный противовес, чтобы регулировать им натяжение троса.
Аэропорт, грузовой терминал, рестораны, гостиницы да даже бары. Это базовые штуки которые нужны людям на любом транспортном узле. Разумная фантастика опять не поможет эти требования снизить. Люди они остаются.
В океане это все строить вообще не вариант. Можно, но только если суши вообще нет не в каком виде. Условный криптоанархический лифт в нейтральных водах. Можно, но это не первый и не второй точно.
Из лазеров можно создавать сфазированные лазерные поля, по сути расщепляя один луч на много оптических волокон, а затем усиливая в разнесенных в пространстве волоконно-оптических усилителях.
Вы заметили как все усложнили? История говорит нам что любая новая штука делается максимально просто. Бизнес гонит, инженеры умеют только по старому. И делают как умеют с минимумом новых элементов. Только в третьем-четвертом поколении начинается улучшение и усложнение.
Исходя из этого фантазируем максимально просто.
Подогнать астероид подходящих размеров и состава на ГСО просто? Просто. Старшипа не хватит конечно, но в общем как это делать понятно. Побольше двигатель, побольше генератор энергии для двигателя. Рабочее тело из самого астероида делать можно.
Как из астероида сделать сверхпрочную веревку и спустить вниз понятно? Тоже понятно. Как только придумают как такие веревки вообще делать.
Солнечные панели или реакторы, электричество, противовесы. Это все и сейчас можно сделать.
Проложить сверхпроводящие рельсы по веревке понятно как? Понятно. Осталось придумать сверхпроводящий материал при подходящих температурах.
И получаем простую и понятную конструкцию. Дай современным инженерам еще пару новых технологий они спокойно это сделают. Мне кажется что примерно так оно и будет строится, когда технологии наберутся. Других инженеров тогда не будет, будут такие же как сейчас.
Вот когда второй строить начнут можно и улучшать и усложнять начинать. На основе опыта первого и обученных на нем инженерах.
Sun-ami
17.02.2022 14:08Высокотемпературная сверхпроводимость — это, конечно, хорошо, и решает проблему, но не факт, что вообще возможно. Раскалённые докрасна вольфрамовые пластины подойдут для сброса энергии при спуске. А при подъёме я имел в ввиду улавливание лазерного света фотоэлектрическими панелями, охлаждаемыми тепловыми трубками и холодильником, сбрасывающим тепло через радиаторы под солнечными панелями в сторону земли. Для подъёма 20 тонн со скоростью 250км/ч у поверхности нужно около 1,4 МВатт. Фотоэлектрические панели, рассчитанные на монохроматический свет, могут иметь высокий КПД около 50%. Если сделать интенсивность света равной потоку солнечного света 1,3 кВт/м2 — понадобятся панели площадью 2150 м2, или квадрат из панелей 46х46м. В принципе реально, но громоздко. В этом случае панели могут охлаждаться непосредственным излучением тепла, и быть тонкими, рулонными, сворачиваемыми при входе в атмосферу. Если поднять интенсивность в 10 раз, используя высокотемпературные охлаждаемые панели — размеры панелей можно уменьшить до 15х15м, и складывать их как створки.
BugM
17.02.2022 14:31Да. При вводных условиях "удалось изобрести материал из которого можно построить несущую часть лифта, но сверхпроводимость по прежнему только криогенная" вариант с панелями и искусственным светом с орбиты может и выстрелить.
Хотя КПД такого варианта все равно ужасен. Не то чтобы жалко было, просто больно много света на орбите вырабатывать придется. Сложно и дорого.
Ilya81
16.02.2022 12:49При разумной конструкции обрыв всего разом, в т. ч. всех несущих жил сразу крайне маловероятен, а даже если случится, что заставит все элементы конструкции падать, как одну башню? А отдельные жилы вполне могут тормозиться об воздух, особенно при подходящей конструкции, вряд ли будет нужно делать из графена именно трубки, можно т. с. поперечными лепестками дополнить.
vasilykomyagin
15.02.2022 16:58Падение кабеля космического лифта неплохо описано в книге "Красный Марс".
Wesha
15.02.2022 19:37+4"Штирлиц, ваше следующее задание — выяснить, куда из названия планеты Маркс пропала буква К."
Radisto
15.02.2022 21:31+1В "городе бездны" Рейнольдса тоже есть описание, правда от лица пассажира лифта в процессе подъема капсулы уже за пределами атмосферы
AKudinov
16.02.2022 12:23+1Как быстро тема развилась от простой и понятной прикладной проблемы падения троса до невообразимой конструкции с солнечными парусами и передачей энергии лазером, которую будут делать прямо на орбите из метеорита.
Ilya81
16.02.2022 15:02+1Ну так проблема возможности обрыва троса - далеко не единственная потенциальная проблема с космическим лифтом, и главное - не изготовление трубчатого троса из графена длиной в десятки тысяч километров, причём с соединением частей троса прямо на орбите - эти технологии наверняка со временем появятся, а хоть тот ж изгиб троса при подъёме по нему груза, который будет постепенно смещать противовес, делая трос всё менее вертикальным.
v1000
Получается, нужно заранее планировать такие ситуации, и строить в максимальном отдалении от жилых районов и важных элементов инфраструктуры.
В принципе, не особо отличается от постройки плотины, когда приходится затоплять жилые территории и переселять жителей.
BugM
Тысячи километров по экватору на восток. Вероятнее даже десяток тысяч. От экватора +- сотни может до тысячи километров. Там как повезет.
Нужно место на экваторе с минимальным отклонением от него. Не небольшой остров. Не влезет туда вся инфраструктура. Открывайте глобус и ищите.
Франзузская Гвиана не очень подходит потому что Африку накроет. А вот Индонезия и рядом прям хорошо. И побережье Африки нормально. Там в зоне поражения только острова. В общем номрально.
Вариантов не так много. Всего два нормальных. И один запасной.
Wesha
"Да кто их, тех папусов, считает?" (c)
suponix
А почему не полюса, зачем экватор то?
BugM
Наверно потому что геостационарная орбита только над экватором есть?
axe_chita
А ещё надо прикинуть варианты, как поведет себя трос при разрыве у земли, в атмосфере, на НОО, на высокой орбите, у геостационара. Как минимум из-за того что центр масс троса, в каждом из случаев, будет находиться на разной высоте и возникающий вектор сил будет направлен по разному.