Лунный космический лифт или лунный космический лифт — это предлагаемая транспортная система для перемещения механического альпинистского аппарата вверх и вниз по ленточному привязному тросу, который установлен между поверхностью Луны « внизу» и стыковочным портом, подвешенным на десятках тысяч километров выше в космосе наверху.
По своей концепции он похож на более известную идею космического лифта на Земле , но поскольку гравитация на поверхности Луны намного ниже, чем у Земли, инженерные требования для строительства системы лунного лифта могут быть выполнены с использованием уже доступных материалов и технологий. В лунном лифте кабель или трос простирается значительно дальше от лунной поверхности в космос, чем тот, который использовался бы в наземной системе. Однако основная функция системы космического лифта в любом случае одинакова; оба позволяют использовать многоразовые управляемые средства транспортировки грузов или, возможно, людей между базовой станцией на дне гравитационного колодца и стыковочным портом в космическом пространстве.
Лунный лифт мог бы существенно снизить затраты и повысить надежность оборудования для мягкой посадки на поверхность Луны. Например, это позволило бы использовать эффективные по массе (высокий удельный импульс) двигатели с низкой тягой, такие как ионные двигатели , которые в противном случае не могли бы приземлиться на Луну. Поскольку стыковочный порт будет подключен к кабелю в условиях микрогравитации , эти и другие приводы смогут достичь кабеля с низкой околоземной орбиты (НОО) с минимальным запуском топлива с Земли. В обычных ракетах топливо, необходимое для достижения лунной поверхности с НОО, во много раз превышает приземляемую массу, поэтому лифт может снизить затраты на запуск полезной нагрузки, направляющейся на лунную поверхность, в аналогичный коэффициент.
В космосе есть две точки, где стыковочный порт лифта может поддерживать стабильное лунно-синхронное положение: точки Лагранжа Земля-Луна L 1 и L 2 . Эксцентриситет лунной орбиты 0,055 означает, что эти точки не фиксированы относительно лунной поверхности: L 1 находится на расстоянии 56 315 км +/- 3 183 км от обращенной к Земле стороны Луны (на лунном экваторе), а L 2 составляет 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 вращения твердого тела лифтовой системы, нейтрализуют друг друга. Точки Лагранжа L 1 и L 2 являются точками нестабильного гравитационного равновесия, а это означает, что потребуются небольшие инерционные корректировки, чтобы гарантировать, что любой объект, расположенный там, может оставаться неподвижным относительно лунной поверхности.
Обе эти позиции находятся существенно дальше, чем 36 000 км от Земли до геостационарной орбиты. Кроме того, вес ветки кабельной системы, идущей вниз к Луне, должен быть уравновешен кабелем, идущим дальше вверх, а медленное вращение Луны означает, что верхняя ветка должна быть намного длиннее, чем у наземной системы. , или быть увенчанным гораздо более массивным противовесом. Чтобы подвесить килограмм кабеля или полезного груза прямо над поверхностью Луны, потребуется 1000 кг противовеса, что на 26 000 км превышает L 1 . (Меньший противовес на более длинном кабеле, например 100 кг, на расстоянии 230 000 км — более чем на полпути к Земле — будет иметь такой же уравновешивающий эффект.) Без притяжения Земли, притягивающего его, для кабеля L 2 потребовался бы самый низкий килограмм 1000 кг противовеса на расстоянии 120 000 км от Луны. Среднее расстояние Земля-Луна составляет 384 400 км.
Точкой привязки космического лифта обычно считается экватор. Однако есть несколько возможных вариантов размещения лунной базы на одном из полюсов Луны; Например , база на пике вечного света может использовать почти непрерывную солнечную энергию, или небольшое количество воды и других летучих веществ может задерживаться на постоянно затененном дне кратера. Космический лифт можно было бы закрепить возле лунного полюса, но не прямо у него. Чтобы доставить кабель до полюса на оставшуюся часть пути к полюсу, можно использовать трамвай, поскольку низкая гравитация Луны позволяет построить гораздо более высокие опорные башни и более широкие пролеты между ними, чем это было бы возможно на Земле.
Из-за более низкой гравитации Луны и отсутствия атмосферы к лунному лифту предъявляются менее строгие требования к прочности на разрыв материала, из которого состоит его кабель, чем к кабелю, привязанному к Земле. Для наземного лифта потребуются материалы с высоким соотношением прочности и веса, которые теоретически возможны, но еще не созданы на практике (например, углеродные нанотрубки ). Лунный лифт, однако, может быть построен с использованием коммерчески доступных высокопрочных параарамидных волокон массового производства (таких как кевлар и М5 ) или полиэтиленовых волокон сверхвысокомолекулярного веса .
По сравнению с земным космическим лифтом, будет меньше географических и политических ограничений на расположение наземного соединения. Точка подключения лунного лифта не обязательно должна находиться прямо под его центром тяжести, а может даже находиться рядом с полюсами, где, как свидетельствуют данные, может быть замерзшая вода в глубоких кратерах, которые никогда не видят солнечного света; если да, то его можно будет собрать и превратить в ракетное топливо.
Конструкции космических лифтов для Земли обычно имеют конусность троса, обеспечивающую равномерный профиль напряжения, а не однородное поперечное сечение. Поскольку требования к прочности лунного космического лифта намного ниже, чем у земного космического лифта, для лунного космического лифта возможно однородное поперечное сечение. В исследовании, проведенном для Института передовых концепций НАСА, говорится: «Современные композиты имеют характерную высоту в несколько сотен километров, что потребует коэффициента конусности около 6 для Марса, 4 для Луны и около 6000 для Земли. Масса Луны достаточно мал, чтобы можно было построить лунный космический лифт с одинаковым поперечным сечением вообще без какого-либо сужения». [1] Единообразное поперечное сечение может позволить построить лунный космический лифт в конфигурации с двойным тросом. Эта конфигурация значительно упростит ремонт космического лифта по сравнению с конической конфигурацией лифта. Однако конфигурация шкива потребовала бы распорки на противовесе длиной в сотни километров, чтобы отделить верхний трос от нижнего и предотвратить их запутывание. Конфигурация шкива также может позволить постепенно увеличивать пропускную способность системы за счет пришивания нового материала троса в точке Лагранжа по мере вращения троса.
Идея космических лифтов возникла в 1960 году, когда Юрий Арцутанов написал воскресное приложение к «Правде» о том, как построить такую структуру и о пользе геосинхронной орбиты. Однако его статья не была известна на Западе. [ нужна цитата ] Затем в 1966 году Джон Айзекс , руководитель группы американских океанографов в Институте Скриппса , опубликовал в журнале Science статью о концепции использования тонких проводов, свисающих с геостационарного спутника. Согласно этой концепции, провода должны были быть тонкими (теперь считается, что тонкие провода/тросы более восприимчивы к повреждениям микрометеоритами ). Как и Арцутанова, статья Айзекса также не была хорошо известна аэрокосмическому сообществу. [ нужна цитата ]
В 1972 году Джеймс Клайн представил в НАСА документ, описывающий концепцию «лунного кабеля», аналогичную лунному лифту. [2] НАСА отрицательно отреагировало на эту идею, сославшись на технический риск и нехватку средств. [3]
В 1975 году Джером Пирсон самостоятельно придумал концепцию космического лифта и опубликовал ее в Acta Astronautica . Это позволило аэрокосмическому сообществу впервые узнать о космическом лифте. Его статья вдохновила сэра Артура Кларка на написание романа « Райские фонтаны» (опубликованного в 1979 году, почти одновременно с романом Чарльза Шеффилда на ту же тему « Паутина между мирами »). В 1978 году Пирсон распространил свою теорию на Луну и перешел на использование точек Лагранжа вместо ее нахождения на геостационарной орбите. [4]
В 1977 году были посмертно опубликованы некоторые статьи советского пионера космонавтики Фридриха Цандера , в которых говорится, что он задумал лунную космическую башню в 1910 году. [5]
В 2005 году Джером Пирсон завершил исследование для Института перспективных концепций НАСА, которое показало, что эта концепция технически осуществима в рамках существующего уровня техники с использованием существующих коммерчески доступных материалов. [6]
В октябре 2011 года на веб-сайте LiftPort Майкл Лейн объявил, что LiftPort рассматривает создание лунного космического лифта в качестве промежуточной цели перед попыткой создания наземного лифта. На ежегодном собрании Группы анализа исследования Луны (LEAG) в 2011 году технический директор LiftPort Маршалл Юбэнкс представил доклад о прототипе лунного лифта, соавтором которого является Лейн. [7] В августе 2012 года компания Liftport объявила, что проект может начаться ближе к 2020 году. [8] [9] [10] В апреле 2019 года генеральный директор LiftPort Майкл Лэйн сообщил об отсутствии прогресса за пределами концептуального проекта компании по производству лунных лифтов. [11]
В отличие от космических лифтов, закрепленных на Земле, материалы для лунных космических лифтов не потребуют большой прочности. Лунные лифты можно изготовить из доступных сегодня материалов. Углеродные нанотрубки не требуются для построения структуры. [1] Это позволило бы построить лифт гораздо раньше, поскольку до появления материалов из углеродных нанотрубок в достаточных количествах еще далеко. [12]
Одним из материалов, который имеет большой потенциал, является волокно М5 . Это синтетическое волокно, которое легче кевлара или Spectra. [13] Согласно Пирсону, Левину, Олдсону и Уайксу в их статье «Лунный космический лифт», лента М5 шириной 30 мм и толщиной 0,023 мм сможет выдержать на поверхности Луны 2000 кг (2005 г.). Он также сможет вместить 100 грузовых автомобилей массой 580 кг каждый, равномерно расположенных по длине лифта. [1] Другими материалами, которые можно использовать, являются углеродное волокно T1000G, Spectra 200, Dyneema (используется на космическом корабле YES2 ) или Zylon . Все эти материалы имеют разрывную длину в несколько сотен километров при нагрузке менее 1 g . [1]
Материалы будут использованы для изготовления ленточного привязанного кабеля, который соединит точки баланса L 1 или L 2 с поверхностью Луны. Подъемные транспортные средства, которые будут преодолевать длину этих тросов в готовой лифтовой системе, не будут двигаться очень быстро, что упрощает некоторые задачи по перемещению грузов и поддержанию структурной целостности системы. Однако любые небольшие объекты, подвешенные в космосе в течение продолжительных периодов времени, например, привязанные кабели, уязвимы для повреждений микрометеороидами , поэтому одним из возможных методов повышения их живучести может быть создание «многоленточной» системы, а не просто одинарный кабель. [1] Такая система будет иметь межсоединения через регулярные промежутки времени, так что если одна секция ленты будет повреждена, параллельные секции смогут нести нагрузку до тех пор, пока не прибудут роботизированные транспортные средства, чтобы заменить отрезанную ленту. Соединения будут расположены на расстоянии около 100 км друг от друга, что достаточно мало, чтобы позволить роботу-альпинисту перенести массу заменяемой ленты на расстояние 100 км. [1]
Одним из методов доставки необходимых материалов с Луны на орбиту может стать использование роботизированных альпинистских аппаратов. [1] Эти транспортные средства будут состоять из двух больших колес, прижимающихся к лентам лифта, чтобы обеспечить достаточное трение для подъема. [1] Альпинисты могут быть установлены на горизонтальные или вертикальные ленты.
Колеса будут приводиться в движение электродвигателями, которые будут получать энергию от солнечной энергии или лучевой энергии. Мощность, необходимая для подъема по ленте, будет зависеть от лунного гравитационного поля, которое снижается на первых нескольких процентах расстояния до L 1 . [1] Мощность, необходимая альпинисту для прохождения ленты, падает пропорционально близости к точке L 1 . Если бы альпинист массой 540 кг шел со скоростью пятнадцать метров в секунду, то к моменту прохождения семи процентов пути до точки L 1 требуемая мощность упадет до менее чем ста ватт против 10 киловатт на поверхности.
Одной из проблем использования автомобиля на солнечных батареях является отсутствие солнечного света на некоторых участках поездки. Половину каждого месяца солнечные батареи в нижней части ленты будут находиться в тени. [1] Одним из способов решения этой проблемы было бы запустить транспортное средство у основания с определенной скоростью, а затем на пике траектории прикрепить его к ленте. [1]
Материалы с Земли могут быть отправлены на орбиту, а затем на Луну для использования на лунных базах и установках. [1]
Бывший президент США Джордж Буш в своей речи о своем видении освоения космоса предположил, что Луна может служить экономически эффективной площадкой для строительства, запуска и заправки топливом для будущих миссий по исследованию космоса. Как отметил президент Буш, [14] «(Лунная) почва содержит сырье, которое можно собирать и перерабатывать в ракетное топливо или пригодный для дыхания воздух». Например, предлагаемая ракетная система тяжелого класса «Арес V» могла бы экономически эффективно [15] доставлять сырье с Земли на стыковочную станцию (подключенную к лунному лифту в качестве противовеса) [16] , где можно было бы построить будущие космические корабли и будет запущен, а добытые лунные ресурсы могут быть отправлены с базы на поверхности Луны, недалеко от точки крепления лифта. Если бы лифт был каким-то образом связан с лунной базой, построенной недалеко от северного полюса Луны, то рабочие могли бы также добывать водяной лед, который, как известно, существует там, обеспечивая достаточный источник легкодоступной воды для экипажа на стыковочной станции лифта. [17] Кроме того, поскольку общая энергия, необходимая для транзита между Луной и Марсом, значительно меньше, чем для перехода между Землей и Марсом, эта концепция может снизить некоторые инженерные препятствия для отправки людей на Марс.
Лунный лифт также может использоваться для транспортировки припасов и материалов с поверхности Луны на орбиту Земли и наоборот. По словам Джерома Пирсона, многие материальные ресурсы Луны легче добыть и отправить на околоземную орбиту, чем если бы они были запущены с поверхности Земли. [1] Например, сам лунный реголит можно использовать в качестве массивного материала для защиты космических станций или пилотируемых космических кораблей во время длительных миссий от солнечных вспышек , радиации Ван Аллена и других видов космического излучения . Природные металлы и минералы Луны можно будет добывать и использовать в строительстве. Лунные месторождения кремния, которые можно было бы использовать для создания солнечных панелей для крупных спутниковых солнечных электростанций , кажутся особенно многообещающими. [1]
Одним из недостатков лунного лифта является то, что скорость поднимающихся транспортных средств может быть слишком низкой, чтобы эффективно служить системой транспортировки людей. В отличие от наземного лифта, большее расстояние от стыковочной станции до поверхности Луны будет означать, что любой «вагон-лифт» должен будет иметь возможность поддерживать экипаж в течение нескольких дней, даже недель, прежде чем он достигнет пункта назначения. [12]