Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии

ракеты. Потому, например, американский ракетный комплекс “Сатурн Аполлон” при стартовой массе 2900 тонн выводил на ор биту только 129 тонн. Отсюда астрономическая стоимость косми ческих запусков с помощью ракет (стоимость вывода килограмма груза на низкую орбиту составляет в среднем около $10.000.)

И, несмотря на многократные попытки снизить стоимость запуска ракет, по видимому, радикально удешевить транспор тировку грузов и людей на орбиту до стоимости стандартных авиаперевозок на базе современных ракетных технологий принципиально невозможно.

Чтобы отправлять грузы в космос более дешевым способом, исследователи из Лос Аламосской национальной лаборатории предложили создать космический лифт. Цена запуска груза с по мощью лифта по предварительным оценкам может снизиться с десятков тысяч долларов до $10 за килограмм. Ученые полагают, что космический лифт сможет в буквальном смысле перевернуть мир, дав человечеству совершенно новые возможности.

По сути, лифт будет представлять собой кабель, соединяю щий орбитальную станцию с платформой на поверхности Земли. Кабинки на гусеничном ходу будут перемещаться по кабелю вверх и вниз, перенося спутники и зонды, которые нужно вывес ти на орбиту. С помощью этого лифта на самом верху можно бу дет построить в космосе стартовую площадку для космических аппаратов, отправляющихся к Луне, Марсу, Венере и астерои дам. Оригинально решена проблема подачи энергии к самим лифтовым “кабинам”: трос будет покрыт солнечными батареями либо кабины будут оснащены небольшими фотоэлектрическими панелями, которые с Земли будут подсвечивать мощные лазеры.

Ученые предлагают разместить наземную базу космического лифта в океане, в экваториальных водах Тихого океана, за сотни километров от маршрутов коммерческих авиарейсов. Известно, что ураганы никогда не пересекают экватор и здесь почти не бы вает молний, что обеспечит лифту дополнительную защиту.

Космический лифт описан в произведениях Циолковского, а также писателя фантаста Артура Кларка, а проект строитель ства такого лифта был разработан ленинградским инженером Юрием Арцутановым в 1960 году. Долгие годы активным про пагандистом идеи космического лифта был астраханский ученый Г.Поляков.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Но до сих пор никто не мог предложить материал такой лег кости и прочности, чтобы из него можно было бы сделать кос мический трос. До недавнего времени самым прочным матери алом являлась сталь. Но изготовить из стали трос длиной в нес колько тысяч километров не представляется возможным, так как даже упрощенные расчеты говорят о том, что стальной трос необходимой прочности рухнул бы под собственной тяжестью уже на высоте в 50 км.

Однако с развитием нанотехнологий появилась реальная воз можность изготовить трос с нужными характеристиками на основе волокон из сверхпрочных и сверхлегких углеродных нанотрубок. Пока никому не удалось сделать даже метровый кабель из нанотру бок, но, по уверениям разработчиков проекта, технологии произ водства нанотрубок совершенствуются ежедневно, так что подоб ный кабель вполне может быть сделан уже через несколько лет.

Главный элемент подъемника – трос, один конец которого крепится на поверхности Земли, а другой теряется в космосе на высоте около 100 тыс. км. Этот трос будет не просто “болтать ся” в космическом пространстве, а будет натянут, как струна, благодаря воздействию двух разнонаправленных сил: центро бежной и центростремительной.

Чтобы понять их прироу, представьте, что вы привязали к веревке какой нибудь предмет и начали его раскручивать. Как только он приобретет определенную скорость, веревка натя нется, потому, что на предмет действует центробежная сила, а на саму веревку сила центростремительная, которая ее и натя гивает. Нечто подобное произойдет и с поднятым в космос тро сом. Любой объект на его верхнем конце или даже сам свобод ный конец будет вращаться, подобно искусственному спутнику нашей планеты, только “привязанному” особой “веревкой” к земной поверхности.

Уравновешение сил будет происходить, когда центр масс гигантского каната находится на высоте 36 тысяч километров, то есть на так называемой геостационарной орбите. Именно там искусственные спутники висят неподвижно над Землей, совершая вместе с ней полный оборот за 24 часа. В этом случае он будет не только натянут, но и сможет постоянно занимать строго определенное положение вертикально к земному гори зонту, точно по направлению к центру нашей планеты.

54

ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии

Рис 24. Космический лифт в представлении художника Пэта Ролингса*

Для начала строительства космического лифта необходимо будет совершить пару полетов на космических челноках. Они и специальная платформа со своим автономным двигателем дос тавят 20 тонн троса на геостационарную орбиту. Затем предпо лагается опустить на Землю один конец троса и закрепить где то в экваториальной зоне Тихого океана на платформе, похо жей на нынешнюю стартовую площадку для запуска ракет.

Затем рассчитывают пустить по тросу специальные подъем ники, которые будут добавлять все новые и новые слои нанот рубочного покрытия к тросу, наращивая его прочность. Этот процесс должен занять пару тройку лет и первый космичес кий лифт будет готов.

* Перепечатано с http://flightprojects.msfc.nasa.gov

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Любопытные совпадения: в 1979 году писатель фантаст Ар тур Кларк в своем романе “Фонтаны рая” выдвинул идею “кос мического лифта” и предложил заменить сталь неким свер хпрочным “псевдоодномерным алмазным кристаллом”, кото рый и стал основным строительным материалом для данного приспособления. Самое интересное, что Кларк почти угадал. Нынешний этап интереса к проекту строительства космическо го лифта связан именно с углеродными кристаллами – нанот рубками, обладающими замечательными свойствами, с кото рыми мы уже познакомились.

И что совсем уж удивительно: физика одного из участни ков разработки космического лифта зовут Рон Морган. Мор ганом же звали и персонажа романа Артура Кларка инженера, построившего космический лифт!

Морган настоящий прогнозирует, что первый лифт в космос человечество сможет построить всего через 12 15 лет, что он бу дет способен поднимать до 20 тонн грузов каждые 3 дня, а его предварительная стоимость составит 10 миллиардов долларов.

Политика

Нанотехнологии имеют большое военное будущее. На во енные наноисследования в одном только 2003 году США пот ратили $201 млн. В военной сфере также активны Великобри тания и Швеция. Как предполагается, в 2008 году будут предс тавлены первые боевые наномеханизмы. Военные исследова ния в мире ведутся в шести основных сферах: технологии соз дания и противодействия “невидимости”, энергетические ре сурсы, самовосстанавливающиеся системы (например, позво ляющие автоматически чинить поврежденную поверхность танка или самолета), связь, а также устройства обнаружения хи мических и биологических загрязнений.

Производители уже получают первые заказы на наноуст ройства. К примеру, армия США заказала компании Friction Free Technologies разработку военной формы будущего. Она должна изготовить носки с использованием нанотехнологий, которые должны будут выводить пот, но сохранять ноги в тепле, а носки в сухости.

Чрезвычайно интересен проект исследовательской органи зации “Институт нанотехнологий для солдат” при Массачусе

56

ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии

тском технологическом институте. На предстоящие пять лет институт получил грант ВС США в размере $50 млн. на разра ботку материалов для солдатской формы средствами нанотех нологий. В проекте принимают участие около 150 сотрудников, включая 35 профессоров Массачусетского о института, а также военные специалисты.

Униформа будущего “наносолдата” должна уметь отражать пули, самостоятельно лечить раны своего хозяина, повышать его способности, делать его незаметным и позволять ходить по отвесным стенам. В отличие от средневековых аналогов “нано кольчуга” будущего, произведенная при помощи молекуляр ных технологий, будет легкой и удобной.

Для защиты от поражения огнестрельным оружием может быть создан так называемый экзоскелет специальный костюм, повышающий свою плотность в месте удара пули.

Еще одна идея вплетать в ткань волокна органических по лимеров, отражающие свойства которых зависят от механичес ких напряжений либо электрических полей. Это сделает солда та “невидимым” для стандартных систем обнаружения, ис пользующих различные виды излучения, поскольку в сочета нии с массивом микромеханических датчиков эти нановолокна смогут воссоздавать прохождение света таким образом, как ес ли бы солдата не было в данном месте.

При этом солдатам не обязательно носить на себе еще и электрогенератор, чтобы обеспечить электропитание собствен ного обмундирования искусственные мускулы, разрабатывае мые в настоящее время в Массачусетском технологическом институте, позволяют преобразовывать механическую энергию движения и накапливать её наподобие аккумулятора. Солдат сможет сначала поднакопить запасы энергии в ткани, а затем использовать ее, чтобы перепрыгнуть через высоченную стену. Прямо как в компьютерных играх чтобы высоко и далеко прыгнуть, надо какое то время просто идти.

Экология

Нанотехнологии способны также стабилизировать эколо гическую обстановку. Новые виды промышленности не будут производить отходов, отравляющих планету, а нанороботы смо гут уничтожить последствия старых загрязнений – нанотехни