Возможно ли построить космический лифт и почему он нужен человечеству
В конце XIX века Константин Циолковский предложил идею космической башни. Позже, в 1959 году, Юрий Арцутанов развил эту концепцию до космического лифта. С тех пор этот транспорт стал фигурировать во многих научно-фантастических произведениях, а позже множество компаний пытались воплотить эту идею в жизнь. Расскажем, почему никому до сих пор не удалось создать космический лифт, есть ли у этого транспорта перспективы и как он поможет человечеству покорить космос.
Анатомия космического лифта
Согласно концепции Арцутанова, космический лифт должен состоять из четырёх основных элементов: наземной базы, троса, противовеса и подъёмника.
Наземная база
Наземная база, или «земной порт», — это точка старта для подъёмников и место крепления троса. Оптимальное место для её размещения — на экваторе. Такое расположение позволяет максимально эффективно использовать вращение Земли. Вся система лифта спроектирована так, чтобы вращаться синхронно с планетой.
Чтобы снизить риски, связанные с погодой, базу планируется разместить в регионе с минимальным количеством штормов, сильных ветров и молний. Одним из подходящих мест считается восточная экваториальная часть Тихого океана. Некоторые проекты предполагают использование плавучей морской платформы, но это создаёт дополнительные трудности из-за постоянных волнений океана и сложностей с доступом к платформе.
Трос
Трос — это главный и самый сложный элемент лифта. Он должен обладать невероятной прочностью, чтобы выдерживать колоссальное натяжение по всей своей длине около 100 000 км, и при этом быть очень лёгким.
Чтобы справиться с изменяющимися нагрузками, современные проекты предлагают делать трос коническим: самым широким на высоте геостационарной орбиты, где натяжение максимально, и более узким у поверхности Земли и у противовеса. Такая конструкция помогает поддерживать напряжение на постоянном уровне и оптимизировать использование материала. Предпочтительная форма поперечного сечения — лента, а не круглый кабель. Считается, что плоскую ленту сложнее перебить при столкновении с космическим мусором или микрометеоритами.
Противовес
Противовес, или «вершинный якорь», — это объект, расположенный за пределами геостационарной орбиты (ГСО), обычно на расстоянии около 100 тысяч км от Земли. Его главная задача — создавать натяжение троса за счёт центробежной силы, возникающей при вращении вместе с Землёй.
На высоте ГСО (35 786 км) гравитация Земли и центробежная сила уравновешивают друг друга. Выше этой точки центробежная сила начинает преобладать, создавая направленную вверх силу, которая и натягивает трос. В качестве противовеса может использоваться захваченный астероид или специально построенная космическая станция.
Кроме того, противовес может служить платформой для запуска миссий в дальний космос. Полезные грузы, выпущенные с него, могут быть отправлены напрямую к Марсу или другим планетам, что значительно сократит время в пути.
Подъёмник
Подъёмник, или климбер, — это роботизированная или пилотируемая кабина, которая перемещается по тросу вверх и вниз. В отличие от ракет, климберы могут быть значительно больше и перевозить, например, до 30 астронавтов за раз или 20 тонн груза.
Схема космического лифта
Энергию для движения климберы получают из внешних источников. Основные рассматриваемые варианты — это лазерный луч, передаваемый с Земли, или бортовые солнечные панели. Путешествие до геостационарной орбиты может занять несколько дней. Для подъёма 20-тонного климбера за 8 дней потребуется средняя мощность 1,54 МВт — это эквивалентно потреблению 1,5 тысячи домов.
Трос: материал, которого не существует
Главное препятствие на пути к созданию космического лифта — это отсутствие подходящего материала для троса.
Почему не подходят сталь, титан и кевлар
Ключевой параметр для материала троса — удельная прочность, то есть отношение прочности к плотности. Трос должен выдерживать собственный вес на протяжении десятков тысяч километров. Для этого его материал должен иметь так называемую длину разрыва от 3100 до 8200 км.
Сравнительная таблица материалов для троса космического лифта
Даже самые прочные из существующих материалов не отвечают этим требованиям. Например, у высокопрочной стали этот показатель составляет около 30 км, а у кевлара — около 250 км. Их прочности недостаточно, чтобы выдержать собственный вес при необходимой длине.
Главный кандидат — углеродные нанотрубки
Углеродные нанотрубки (УНТ) долгое время считались главным кандидатом на роль материала для троса из-за их исключительной теоретической прочности и низкой плотности. Ещё в 2003 году исследователи NASA пришли к выводу, что проект лифта станет осуществимым при условии успешной разработки троса из УНТ.
Однако главная проблема нанотрубок — их чрезвычайно малая длина. По состоянию на август 2025 года самая большая углеродная нанотрубка имеет длину всего полметра. Кроме того, из-за структурных дефектов их реальная прочность оказывается значительно ниже теоретической.
Второе место — графен
Ещё одним кандидатом на звание материала для троса космического лифта считается графен — двумерный материал из атомов углерода. Он обладает прочностью, сравнимой с УНТ, и примерно в 200 раз прочнее стали. В производстве графена достигнут больший прогресс: уже существуют технологии, позволяющие производить листы поликристаллического графена длиной до километра.
Но и здесь есть свои сложности. Трос должен состоять примерно из 12 тысяч слоёв графена. Силы, связывающие эти слои между собой, в настоящее время примерно в 35 раз слабее, чем требуется, чтобы выдержать 20-тонный подъёмник.
Изображение клубка углеродных нанотрубок, полученное при помощи сканирующего электронного микроскопа
Таким образом, создание троса — это не просто инженерная задача, а фундаментальная проблема материаловедения. Пока не будет совершён революционный прорыв в производстве сверхдлинных и прочных наноматериалов, космический лифт останется теорией.
Опасности лифта
Даже если проблема материала будет решена, остаётся ряд других серьёзных угроз.
Космический мусор и микрометеориты
Космический мусор представляет огромную опасность для всех аппаратов на орбите. Трос лифта длиной 100 тысяч км станет для него очень уязвимой мишенью. Столкновения на орбитальных скоростях (более 10 км/с) могут легко повредить или перебить трос.
Для снижения рисков предлагаются разные стратегии: использование троса в форме ленты, утолщение его в наиболее опасных зонах, создание систем отслеживания мусора и разработка манёвров уклонения. В долгосрочной перспективе возможно создание нескольких параллельных тросов для резервирования. Заменив ракетные запуски, лифт сам может помочь уменьшить количество нового мусора на орбите.
Погода на Земле
Наземная часть троса будет подвержена влиянию ураганов, штормов и молний. Хотя трос спроектирован как очень жёсткая структура, сильные ветры могут вызывать его раскачивание. Для борьбы с этим предлагается изменять конструкцию троса на высотах до 7 км, чтобы уменьшить его сопротивление ветру.
Колебания и резонанс
Как любая длинная и тонкая структура, трос подвержен вибрациям, подобно гитарной струне. Если эти колебания войдут в резонанс, это может привести к разрушению всей конструкции. Для борьбы с этим понадобятся сложные активные системы демпфирования, которые будут в реальном времени обнаруживать и гасить вибрации с помощью специальных приводов.
Радиация
Радиационные пояса Ван Аллена, расположенные на высоте от 1 до 60 тысяч км, представляют серьёзную угрозу. В отличие от ракет, которые пересекают их быстро, подъёмник будет двигаться через эти зоны несколько дней. Это приведёт к длительному воздействию радиации на оборудование, материал троса и, что особенно важно, на людей.
Схема радиационных поясов Ван Аллена
Доза облучения, которую пассажиры могут получить за час нахождения в поясах, эквивалентна годовой дозе на Земле. Это делает лифт малопригодным для транспортировки людей. Вероятно, для экипажей придётся по-прежнему использовать ракеты, а лифт оставить для грузов.
Энергоснабжение
Передача мегаватт энергии движущемуся на тысячи километров подъёмнику — ещё одна сложнейшая задача. Наиболее жизнеспособной технологией считается передача энергии с помощью мощного лазера с наземной станции.
Однако у этого метода есть серьёзные проблемы:
- Расширение луча. На больших расстояниях лазерный луч рассеивается, что ведёт к потерям мощности.
- Атмосферное поглощение. Атмосфера поглощает и рассеивает значительную часть энергии лазера, даже в ясную погоду.
- Низкая эффективность. Общая эффективность системы крайне низка. Чтобы доставить на подъёмник 11 МВт энергии, наземной станции придётся потратить 73 МВт.
- Отсутствие технологий. Лазеров требуемой мощности и размера пока просто не существует, их пришлось бы разрабатывать с нуля.
Эффективность передачи энергии напрямую влияет на стоимость вывода грузов на орбиту, а значит, и на всю экономическую целесообразность проекта.
Экономика и будущее
Несмотря на все трудности, идея космического лифта жива благодаря его колоссальному экономическому и цивилизационному потенциалу.
Экономика
Главное преимущество лифта — прогнозируемое резкое снижение стоимости доставки грузов в космос. Сегодня стоимость вывода одного килограмма на низкую околоземную орбиту (НОО) с помощью ракеты Falcon Heavy составляет около $1500. Российская ракета «Союз-5», которая будет испытана в конце 2025 года, сможет выводить 1 кг груза на НОО за 300 тысяч рублей — примерно $3700. Космический лифт может снизить эту цифру до менее чем $100 за килограмм, а в перспективе — и до $50. Это удешевление на 96–97%.
Кроме того, лифт обеспечит беспрецедентную пропускную способность: до 170 тысяч тонн грузов в год. Это может превратить космос из области государственных научных программ в коммерчески жизнеспособную среду.
Новые возможности
Дешёвый и регулярный доступ в космос откроет дорогу проектам, которые сегодня кажутся фантастикой. Это может стать началом «настоящей космической эры». Станет возможным строительство гигантских орбитальных станций, баз на Луне и Марсе, а также развитие космического туризма и производства в невесомости.
Особо выделяется возможность строительства космических солнечных электростанций. Они могли бы обеспечивать Землю дешёвой и чистой энергией и замедлить глобальное потепление.
Экология
Космический лифт позиционируется как «зелёный путь в космос». В отличие от ракет, он не производит вредных выбросов в атмосферу. Более того, сам процесс производства троса из графена может стать углеродно-отрицательным, то есть поглощать CO2 из атмосферы.
Лифт также поможет решить проблему космического мусора, сократив количество запусков ракет и, соответственно, новых обломков на орбите.
Проекты по строительству космического лифта
Несмотря на все трудности, идея строительства космического лифта живёт в головах многих людей. За реализацию этого перспективного транспорта берутся не только стартапы и небольшие команды инженеров, но и огромные корпорации. Вот несколько проектов лифтов, находящихся на разной стадии реализации.
Obayashi Corporation (Япония)
Японский строительный конгломерат Obayashi Corporation ведёт исследования и предварительное проектирование космического лифта с 2012 года. Компания анонсировала план начать наземные работы уже в 2025 году и вывести систему на полную мощность к 2050 году. Предполагается, что компания сможет создать трос из углеродных нанотрубок длиной 96 тысяч км, морскую базу на экваторе диаметром 400 м и противовес массой 12,5 тысячи тонн.
Рисунок космической станции-противовеса, проектируемой Obayashi Corporation
LiftPort Group (США)
Основанная в 2003 году компания LiftPort Group долго рассматривала идею лифта до геостационарной орбиты, однако в последние годы сместила фокус на лунный лифт как более достижимый в обозримом будущем. LiftPort накопила обширный портфель концептов, технических документов и прототипов роботизированных «климберов» для строительства лунного лифта.
STARS-EC (Япония)
В феврале 2021 года с МКС был запущен кубсат STARS-EC, раскрывший в космосе трёхзвенную систему общей длиной 22 м. Аппарат продемонстрировал базовый механизм развёртывания и движения по тросу, что стало первым шагом к практическому освоению технологии подъёма груза в космос.
Другие концепты
Канадский стартап Thoth Technology тоже разрабатывает прототип подобного транспорта. Но на данный момент это не полноценный лифт до орбиты, а 20-километровая надувная башня, уходящая в стратосферу. Тем не менее концепт ThothX Tower может стать промежуточным шагом к строительству настоящего лифта. Запатентованная в США структура из инфляционных сегментов и система маховиков позволили бы экономить до 30% топлива при запуске ракет с высоты ≈20 км.
В итоге
Строительство космического лифта остаётся одной из самых амбициозных задач, стоящих перед человечеством. Главным препятствием является материаловедческий барьер — необходимость создать сверхпрочный и сверхдлинный трос из наноматериалов, производство которых в нужных масштабах пока невозможно.
Тем не менее потенциал этой идеи заставляет продолжать исследования. Радикальное снижение стоимости доступа в космос откроет путь к индустриализации околоземного пространства, колонизации Солнечной системы и решению экологических проблем.
Но даже если космический лифт удастся построить, перевозить по нему людей будет, скорее всего, невозможно. Поэтому будущее космических перевозок, вероятнее всего, в гибридной системе, где лифт будет использоваться для доставки грузов, а ракеты — для пилотируемых миссий.