Наука Плоского мира - Йен Стюарт

До недавнего времени считалось, что запас энергии, необходимый для полета в космос, должен переноситься самим снарядом. Тем не менее у нас уже имеется, пусть и в зачаточном состоянии, способ покинуть Землю, оставив источник энергии на планете. Это лазерная двигательная установка: мощный луч когерентного света, направляемый на твердый предмет, буквально толкает его вперед. Подобный способ требует огромных затрат энергии, однако прототипы, созданные Лейком Мирабо, уже были испытаны в Центре высокоэнергетических лазеров на полигоне Уайт-Сэндс. В ноябре 1997 года небольшой снаряд достиг высоты 50 футов (15 м) за 5,5 секунды; в декабре того же года – уже 60 футов (20 м) за 4,9 секунды. Это может показаться не слишком впечатляющим, но сравните с первой ракетой Годдарда. Для достижения эффекта гироскопической стабилизации снаряд вращается со скоростью 6 тысяч оборотов в минуту. Лазерный луч частотой 20 импульсов в секунду направляется на специальную полость, нагревая воздух под ней и создавая волну сжатия в несколько тысяч атмосфер с температурой 30 000 °К. Именно это и толкает снаряд вперед. На большой высоте воздух становится разреженным, поэтому для аналогичной ракеты потребуется взять на борт топливо. Оно будет закачиваться в полость и испаряться под лазерным лучом. Для того чтобы вывести на орбиту снаряд весом в 2 фунта (1 кг), потребуется лазер мощностью 1 МВт.

А еще это может быть очень мощным оружием…

Другой вариант – это направленная передача энергии. С Земли можно направить пучок высокочастотной электромагнитной энергии. Это не просто фантазии: в 1975 году Дик Дикинсон и Уильям Браун переслали на расстояние в 1 милю пучок мощностью 30 кВт (чего достаточно для питания тридцати электроплиток). Джеймс Бенфорд и Мирабо предложили использовать для запуска космических кораблей волну миллиметрового диапазона, которая не затухает в атмосфере. Это одна из вариаций лазерного метода, при которой используются снаряды аналогичной конструкции.

Оба этих метода требуют огромного количества энергии. В них слышится отголосок старых инженерных предрассудков, что любой выход в космос потребует много энергии для преодоления гравитации Земли. Но их преимущество заключается в том, что источник энергии остается на планете, а электростанция мощностью 1000 МВт, которая потребуется для лазерного запуска, в промежутках может генерировать электроэнергию для бытовых нужд.

Более тонкий метод, основанный на принципе боласа, впервые был предложен в 50‑х годах ХХ века. Болас – это такое охотничье приспособление, представляющее собой 3 грузика, прикрепленных к ремешкам, концы которых связаны вместе. В полете болас вращается, растягивая грузики в стороны. Когда ремни достигают цели, грузики закручиваются по спирали и наносят смертельный удар. Похожее устройство, напоминающее гигантское колесо обозрения с треми спицами, на концах которых будут располагаться кабины, можно установить над экватором. Нижняя часть боласа будет располагаться где-то в нижних частях атмосферы, а верхняя – в космосе. Вы можете подлететь к нижнему «шарику» на самолете, пересесть в кабинку, а потом – рраз! – и вы уже в космосе. Самое большое препятствие на пути подобного проекта – это трос, который должен быть прочнее, чем все известные нам материалы. Впрочем, углеродное волокно – шаг в правильном направлении, поскольку сочетает прочность с легкостью. Атмосферное трение замедлило бы вращение боласа, но подобные потери можно компенсировать, установив в космосе солнечные батареи.

Впрочем, самым известным устройством подобного типа является космический лифт. Мы упоминали о нем в первой главе в метафорическом смысле, также в качестве технологической идеи. Теперь мы поговорим о нем подробнее. По сути, космический лифт первоначально представляет собой спутник на геостационарной орбите. Затем вы опускаете с него трос на поверхность Земли, сооружаете подходящую кабинку и находите подходящий материал для кабеля. Этот материал вы поднимаете наверх ракетами или системой боласов (а как только у вас будет первый такой трос, с его помощью можно соорудить и остальные). Все это вам нужно сделать лишь однажды, поэтому величина первоначальных расходов становится несущественной.

В начале книги мы уже подчеркивали, что, как только количество спускаемого вниз и поднимаемого наверх груза уравняется, преодоление гравитации станет абсолютно бесплатным и не потребует новых затрат энергии. С этого момента можно будет начать строить межпланетные корабли прямо в космосе, используя материалы, добытые на Луне или в поясе астероидов. Космический лифт станет новой отправной точкой нашей цивилизации, именно поэтому мы использовали его прежде как метафору, говоря о жизни вообще.

Идея космического лифта принадлежит ленинградскому инженеру Ю. Н. Арцутанову и впервые была опубликована в 1960 году в газете «Правда». Он назвал его «небесной канатной дорогой» и подсчитал, что таким образом можно доставлять на орбиту 12 тысяч тонн грузов в день. Благодаря Джону Айзексу, Хью Браднеру и Джорджу Бэкусу в 1966 году идея привлекла внимание и западных ученых. Этих ученых полеты в космос не интересовали, они были океанографами, то есть теми людьми, которых весьма занимает подвешивание тяжестей на тросах. Они предпочли бы протянуть тросы на дно океана, а не запускать в космос. Океанографы не знали о русской разработке, но вскоре идеи Арцутанова получили широкую известность среди западных ученых, после того как русский космонавт и живописец Алексей Леонов создал картину, изображающую космический лифт в действии.

Вероятно, столь простая, сколь и невыполнимая идея приходила в голову многим людям, но так и оставалась неизвестной широкой публике именно потому, что выглядит невыполнимой с точки зрения существующих или возможных в ближайшем будущем технологий. Это означает, что она время от времени будет заново изобретаться все новыми и новыми людьми. В 1963 году писатель-фантаст Артур Кларк размышлял о том, как можно увеличить количество геостационарных спутников связи. Для этого, по его мнению, со спутника, находящегося на геостационарной орбите, достаточно спустить трос и подвесить на него другой спутник. Позже он сообразил, что отсюда рукой подать до космического лифта, идея которого была им позже развита в романе «Фонтаны рая». В 1969 году А. Р. Коллар и Дж. У. Флауэр также пришли к идее подвешивания спутников на тросах, спускающихся со спутника на геостационарной орбите. А в 1975 году Джером Пирсон предложил создать «орбитальную башню», что по сути то же самое.

Естественно, как только вы соорудите один космический лифт, вы можете подвесить к нему несколько тросов. Раз все нужные материалы можно поднять, почти не затрачивая средств, зачем же останавливаться на достигнутом? Чарльз Шеффилд в романе «Паутина меж мирами» придумал целое кольцо космических лифтов, размещенное вокруг экватора. Именно его и увидели волшебники. По иронии судьбы, из-за высокой, по эволюционной шкале, скорости развития человеческой цивилизации нас с вами волшебники уже не застали.

Но случится ли когда-нибудь так, что космический лифт выйдет из области чистой фантазии? Можно ли построить подобное в ближайшем будущем? В 2001 году две группы ученых НАСА, проанализировав технические возможности, заключили, что это вполне осуществимый проект. Правда, Дэвид Смитерман, бывший руководителем одной из этих групп, считает, что воплотить подобное на практике можно будет лишь к 2100 году.

Главной проблемой остается трос. Нагрузка на трос будет меньше у поверхности, а чем выше – тем больше, поскольку каждый его отрезок должен удерживать вес троса, находящегося под ним. Таким образом, его нужно сделать толще. А теперь вопрос: какой материал обладает достаточной для этого прочностью? Сталь не годится: трос толщиной 4 дюйма (10 см) у Земли потребует толщины 2,5 триллиона миль (4 триллиона км) в верхней части. В переводе с языка инженеров, это означает: «Сталь использовать нельзя, так как она слишком тяжела». Кевлар подошел бы лучше (толщина троса в верхней части составила бы всего-навсего 1600 м – чуть больше мили), но тоже не годится.

Чтобы изготовить трос приемлемой толщины, нужен материал, прочность которого на разрыв составляет не менее 62,5 гигапаскаля: то есть он должен быть в 30 раз прочнее стали и в 17 раз – кевлара. И такой материал уже существует. Это углеродные нанотрубки: молекулы углерода, свернутые в полый цилиндр, которые можно рассматривать как половинки молекул знаменитого фуллерена, состоящих из 60 атомов углерода и имеющих форму футбольного мяча. Прочность на разрыв одной такой нанотрубки – не менее 130 гигапаскалей, то есть более чем в два раза превышает требуемую. Загвоздка в том, что пока мы научились создавать углеродные нанотрубки длиной лишь в несколько микрон. Но если удастся довести их длину до 4 мм, можно будет встраивать их в композитный материал подходящей прочности.