Лунный космический лифт: концепция и перспективы

Введение

Предлагаемая транспортная система

Лунный космический лифт – это предлагаемая транспортная система для перемещения механического подъемного устройства вверх и вниз по лентообразному тросу, закрепленному между поверхностью Луны «внизу» и стыковочным портом, подвешенным на десятки тысяч километров в космосе «вверху». Концепция аналогична более известной идее земного космического лифта, но поскольку поверхностная гравитация Луны значительно ниже земной, инженерные требования для создания лунной лифтовой системы могут быть выполнены с использованием уже доступных материалов и технологий. Для лунного лифта трос или кабель простирается значительно дальше от лунной поверхности в космос, чем тот, который был бы использован в земной системе. Однако основная функция системы космического лифта в обоих случаях одинакова: обе обеспечивают возможность многократного, контролируемого перемещения полезных грузов, или, возможно, людей, между базовой станцией в нижней точке гравитационного колодца и стыковочным портом в открытом космосе. Лунный лифт может значительно снизить стоимость и повысить надежность оборудования для мягкой посадки на лунную поверхность. Например, он позволит использовать массоэффективные (с высоким удельным импульсом) двигатели малой тяги, такие как ионные двигатели, которые в противном случае не смогли бы совершить посадку на Луне. Поскольку стыковочный порт будет соединен с тросом в условиях микрогравитации, эти и другие двигатели смогут достичь троса с низкой околоземной орбиты (НОО) с минимальным расходом топлива, запущенного с Земли. При использовании обычных ракет топливо, необходимое для достижения лунной поверхности с НОО, во много раз превышает массу спускаемого аппарата, поэтому лифт может снизить затраты на запуск полезных грузов, предназначенных для лунной поверхности, в сопоставимом масштабе.

Местоположение

В космосе есть две точки, где док-порт лифта может поддерживать стабильное, лунное синхронное положение: точки Лагранжа Земля-Луна. Экцентриситет лунной орбиты, равный 0,055, означает, что эти точки не фиксированы относительно лунной поверхности: одна находится на расстоянии 56 315 км +/ 3 183 км от обращенной к Земле стороны Луны (на лунном экваторе), а другая – на расстоянии 62 851 км +/ 3 539 км от центра обратной стороны Луны, в противоположном направлении. В этих точках эффект гравитации Луны и эффект центробежной силы, возникающий в результате синхронного, жесткого вращения системы лифта, компенсируют друг друга. Точки Лагранжа являются точками неустойчивого гравитационного равновесия, что означает, что для поддержания неподвижности любого объекта, расположенного в них, потребуются небольшие инерциальные корректировки. Обе эти позиции значительно дальше, чем 36 000 км от Земли до геостационарной орбиты. Кроме того, вес части кабельной системы, идущей к Луне, должен быть сбалансирован весом части, идущей вверх, а медленное вращение Луны означает, что верхняя часть кабеля должна быть намного длиннее, чем в земной системе, или укомплектована более массивным противовесом. Чтобы удержать килограмм кабеля или полезной нагрузки непосредственно над поверхностью Луны, потребуется 1000 кг противовеса на расстоянии 26 000 км (меньший противовес на более длинном кабеле, например, 100 кг на расстоянии 230 000 км – более чем на полпути к Земле – обеспечит тот же балансирующий эффект). Без гравитации Земли, удерживающей его, нижний килограмм кабеля потребует 1000 кг противовеса на расстоянии 120 000 км от Луны. Среднее расстояние от Земли до Луны составляет 384 400 км. Обычно считается, что точка закрепления космического лифта находится на экваторе. Однако есть основания рассматривать возможность размещения лунной базы на одном из полюсов Луны; например, база на вершине пика вечного света могла бы использовать почти непрерывную солнечную энергию, или небольшое количество воды и других летучих веществ может быть заключено в постоянно затененных кратерах. Космический лифт можно было бы закрепить вблизи лунного полюса, но не непосредственно на нем. Для доставки кабеля до полюса можно использовать трамвай, при этом низкая гравитация Луны позволит строить гораздо более высокие опоры и увеличивать расстояние между ними, чем это возможно на Земле.

There are two points in space where an elevator's docking port could maintain a stable, lunar synchronous position: the Earth Moon Lagrange points and The 0.055 eccentricity of the lunar orbit means that these points are not fixed relative to the lunar surface : the is 56,315 km +/ 3,183 km away from the Earth facing side of the Moon (at the lunar equator) and is 62,851 km +/ 3,539 km from the center of the Moon's far side, in the opposite direction. At these points, the effect of the Moon's gravity and the effect of the centrifugal force resulting from the elevator system's synchronous, rigid body rotation cancel each other out. The Lagrangian points and are points of unstable gravitational equilibrium, meaning that small inertial adjustments will be needed to ensure any object positioned there can remain stationary relative to the lunar surface. Both of these positions are substantially farther up than the 36,000 km from Earth to geostationary orbit. Furthermore, the weight of the limb of the cable system extending down to the Moon would have to be balanced by the cable extending further up, and the Moon's slow rotation means the upper limb would have to be much longer than for an Earth based system, or be topped by a much more massive counterweight. To suspend a kilogram of cable or payload just above the surface of the Moon would require 1,000 kg of counterweight, 26,000 km beyond (A smaller counterweight on a longer cable, e. g., 100 kg at a distance of 230,000 km — more than halfway to Earth — would have the same balancing effect.) Without the Earth's gravity to attract it, an cable's lowest kilogram would require 1,000 kg of counterweight at a distance of 120,000 km from the Moon. The average Earth Moon distance is 384,400 km. The anchor point of a space elevator is normally considered to be at the equator. However, there are several possible cases to be made for locating a lunar base at one of the Moon's poles; a base on a peak of eternal light could take advantage of near continuous solar power, for example, or small quantities of water and other volatiles may be trapped in permanently shaded crater bottoms. A space elevator could be anchored near a lunar pole, though not directly at it. A tramway could be used to bring the cable the rest of the way to the pole, with the Moon's low gravity allowing much taller support towers and wider spans between them than would be possible on Earth.

Изготовление

Из-за более низкой гравитации Луны и отсутствия атмосферы, для лунного лифта требования к прочности на растяжение материала кабеля будут менее жесткими, чем для земного троса. Земной лифт потребует материалов с высокой прочностью при малом весе, которые теоретически возможны, но пока не производятся на практике (например, углеродные нанотрубки). Однако лунный лифт можно построить, используя коммерчески доступные, серийно выпускаемые высокопрочные пара-арамидные волокна (такие как кевлар и М5) или волокна полиэтилена сверхвысокой молекулярной массы. По сравнению с земным космическим лифтом, на выбор места для наземного соединения будет меньше географических и политических ограничений. Точка соединения лунного лифта не обязательно должна находиться строго под его центром тяжести и может располагаться даже вблизи полюсов, где, по имеющимся данным, в глубоких кратерах, никогда не освещенных солнцем, может быть обнаружена замерзшая вода; в этом случае ее можно будет собирать и использовать для производства ракетного топлива.

Профиль поперечного сечения

Проекты космических лифтов для Земли обычно предусматривают сужение троса, обеспечивающее равномерный профиль напряжений, а не постоянное поперечное сечение. Поскольку требования к прочности лунного космического лифта значительно ниже, чем у земного, для лунного космического лифта возможно использование постоянного поперечного сечения. В исследовании, выполненном для Института перспективных концепций НАСА, указано: "Современные композитные материалы имеют характерную высоту в несколько сотен километров, что потребовало бы коэффициента сужения около 6 для Марса, 4 для Луны и около 6000 для Земли. Масса Луны достаточно мала, чтобы можно было построить лунный космический лифт с постоянным поперечным сечением без какого-либо сужения". НАСА отклонило эту идею, ссылаясь на технические риски и недостаток финансирования. В 1975 году Джером Пирсон независимо разработал концепцию космического лифта и опубликовал ее в журнале Acta Astronautica. Это впервые привлекло внимание широкого аэрокосмического сообщества к идее космического лифта. Его статья вдохновила сэра Артура Кларка на написание романа "Фонтаны рая" (опубликованного в 1979 году, почти одновременно с романом Чарльза Шеффилда на ту же тему "Сеть между мирами"). В 1978 году Пирсон расширил свою теорию на Луну и перешел к использованию точек Лагранжа вместо геостационарной орбиты. В 1977 году были посмертно опубликованы работы советского пионера космонавтики Фридриха Зандера, в которых выяснилось, что он задумал лунную космическую башню еще в 1910 году. В 2005 году Джером Пирсон завершил исследование для Института перспективных концепций НАСА, которое показало техническую осуществимость концепции с использованием существующих коммерчески доступных материалов и текущего уровня технологий. В октябре 2011 года на веб-сайте LiftPort Майкл Лэйн объявил, что LiftPort рассматривает лунный космический лифт как промежуточную цель перед попыткой создания наземного лифта. На ежегодном собрании Группы анализа исследования Луны (LEAG) в 2011 году технический директор LiftPort Маршалл Эубанкс представил доклад о прототипе лунного лифта, соавтором которого был Лэйн. В августе 2012 года Liftport заявила, что проект может начаться примерно в 2020 году. В апреле 2019 года генеральный директор LiftPort Майкл Лэйн сообщил об отсутствии прогресса за пределами концептуального дизайна лунного лифта компании.

Space elevator designs for Earth typically have a taper of the tether that provides a uniform stress profile rather than a uniform cross section. Because the strength requirement of a lunar space elevator is much lower than that of an Earth space elevator, a uniform cross section is possible for the lunar space elevator. The study done for NASA's Institute of Advanced Concepts states "Current composites have characteristic heights of a few hundred kilometers, which would require taper ratios of about 6 for Mars, 4 for the Moon, and about 6000 for the Earth. The mass of the Moon is small enough that a uniform cross section lunar space elevator could be constructed, without any taper at all." NASA responded negatively to the idea citing technical risk and lack of funds. In 1975, Jerome Pearson independently came up with the Space elevator concept and published it in Acta Astronautica. That made the aerospace community at large aware of the space elevator for the first time. His article inspired Sir Arthur Clarke to write the novel The Fountains of Paradise (published in 1979, almost simultaneously with Charles Sheffield's novel on the same topic, The Web Between the Worlds). In 1978 Pearson extended his theory to the moon and changed to using the Lagrangian points instead of having it in geostationary orbit. In 1977, some papers of Soviet space pioneer Friedrich Zander were posthumously published, revealing that he conceived of a lunar space tower in 1910. In 2005 Jerome Pearson completed a study for NASA Institute of Advanced Concepts which showed the concept is technically feasible within the prevailing state of the art using existing commercially available materials. In October 2011 on the LiftPort website Michael Laine announced that LiftPort is pursuing a Lunar space elevator as an interim goal before attempting a terrestrial elevator. At the 2011 Annual Meeting of the Lunar Exploration Analysis Group (LEAG), LiftPort CTO Marshall Eubanks presented a paper on the prototype Lunar Elevator co authored by Laine. In August 2012, Liftport announced that the project could actually start near 2020. In April 2019, LiftPort CEO Michael Laine reported no progress beyond the lunar elevator company's conceptualized design.

Материалы

В отличие от космических лифтов, привязанных к Земле, материалы для лунных космических лифтов не требуют высокой прочности. Лунные лифты можно построить из материалов, доступных уже сегодня. Для создания конструкции не требуются углеродные нанотрубки. Это позволит построить лифт значительно раньше, поскольку доступные количества углеродных нанотрубок, достаточные для реализации проекта, появятся лишь через несколько лет. Одним из перспективных материалов является волокно М5 – синтетическое волокно, более легкое, чем кевлар или Spectra. Согласно статье Пирсона, Левина, Олдсона и Уайкса «Лунный космический лифт», лента M5 шириной 30 мм и толщиной 0,023 мм сможет выдерживать нагрузку в 2000 кг на лунной поверхности (2005). Она также сможет вместить 100 грузовых контейнеров массой 580 кг каждый, равномерно распределенных по всей длине лифта. "(Лунная) почва содержит сырье, которое можно добывать и перерабатывать в ракетное топливо или пригодный для дыхания воздух". Например, предлагаемая сверхтяжелая ракета-носитель Ares V может экономически эффективно доставлять сырье с Земли на стыковочную станцию (служащую противовесом для лунного лифта), где можно будет строить и запускать будущие космические аппараты, а добытые лунные ресурсы доставлять с базы на поверхности Луны, расположенной вблизи точки крепления лифта. Если лифт будет соединен с лунной базой, построенной в районе северного полюса Луны, рабочие смогут добывать там залежи водяного льда, обеспечивая обильный и легкодоступный источник воды для экипажа на стыковочной станции лифта. Кроме того, поскольку общая энергия, необходимая для перелета между Луной и Марсом, значительно меньше, чем между Землей и Марсом, эта концепция может снизить некоторые инженерные трудности, связанные с отправкой людей на Марс. Лунный лифт также можно использовать для транспортировки грузов и материалов с поверхности Луны на околоземную орбиту и обратно. По словам Джерома Пирсона, многие лунные ресурсы можно добывать и отправлять на околоземную орбиту легче, чем запускать их с поверхности Земли. Например, лунный реголит можно использовать в качестве массивной защиты для космических станций или пилотируемых космических кораблей во время длительных миссий от солнечных вспышек, излучения Ван Аллена и других видов космического излучения. Природные металлы и минералы Луны можно добывать и использовать для строительства. Особенно перспективны лунные залежи кремния, который можно использовать для создания солнечных панелей для масштабных орбитальных солнечных электростанций. Одним из недостатков лунного лифта является то, что скорость движения подъемных аппаратов может оказаться слишком низкой для эффективной организации пассажирских перевозок. В отличие от земного лифта, большее расстояние от стыковочной станции до лунной поверхности означает, что любая "кабина лифта" должна быть способна поддерживать экипаж в течение нескольких дней, а то и недель, прежде чем достигнет пункта назначения.

Unlike earth anchored space elevators, the materials for lunar space elevators will not require a lot of strength. Lunar elevators can be made with materials available today. Carbon nanotubes aren’t required to build the structure. This would make it possible to build the elevator much sooner, since available carbon nanotube materials in sufficient quantities are still years away. One material that has great potential is M5 fiber. This is a synthetic fiber that is lighter than Kevlar or Spectra. According to Pearson, Levin, Oldson, and Wykes in their article The Lunar Space Elevator, an M5 ribbon 30 mm wide and 0.023 mm thick, would be able to support 2000 kg on the lunar surface (2005). It would also be able to hold 100 cargo vehicles, each with a mass of 580 kg, evenly spaced along the length of the elevator. "(Lunar) soil contains raw materials that might be harvested and processed into rocket fuel or breathable air." For example, the proposed Ares V heavy lift rocket system could cost effectively deliver raw materials from Earth to a docking station, (connected to the lunar elevator as a counterweight,) where future spacecraft could be built and launched, while extracted lunar resources could be shipped up from a base on the Moon's surface, near the elevator's anchoring point. If the elevator was connected somehow to a lunar base built near the Moon's north pole, then workers could also mine the water ice which is known to exist there, providing an ample source of readily accessible water for the crew at the elevator's docking station. Also, since the total energy needed for transit between the Moon and Mars is considerably less than for between Earth and Mars, this concept could lower some of the engineering obstacles to sending humans to Mars. The lunar elevator could also be used to transport supplies and materials from the surface of the moon into the Earth's orbit and vice versa. According to Jerome Pearson, many of the Moon's material resources can be extracted and sent into Earth orbit more easily than if they were launched from the Earth's surface. For example, lunar regolith itself could be used as massive material to shield space stations or crewed spacecraft on long missions from solar flares, Van Allen radiation, and other kinds of cosmic radiation. The Moon's naturally occurring metals and minerals could be mined and used for construction. Lunar deposits of silicon, which could be used to build solar panels for massive satellite solar power stations, seem particularly promising. One disadvantage of the lunar elevator is that the speed of the climbing vehicles may be too slow to efficiently serve as a human transportation system. In contrast to an Earth based elevator, the longer distance from the docking station to the lunar surface would mean that any "elevator car" would need to be able to sustain a crew for several days, even weeks, before it reached its destination.