Физика будущего

Стоимость запуска из газовой пушки может оказаться даже ниже, чем при помощи лазерной системы. Однако запускать таким образом в космос пилотируемые аппараты слишком опасно: только твердый груз способен выдержать интенсивное ускорение в стволе.

Третья экспериментальная конструкция — «слингатрон», который, подобно праще, должен раскручивать груз, а затем выбрасывать его в воздух.

Прототип этого устройства был построен Дереком Тидманом (Derek Tidman); его настольная модель способна за несколько секунд раскрутить предмет и бросить его со скоростью до 100 м/с. Прототип слингатрона представляет собой трубку в виде бублика диаметром около метра. Сама трубка имеет диаметр около 2,5 см и содержит небольшой стальной шарик. Шарик катается по кольцевой трубке, а небольшие моторчики подталкивают его и заставляют разгоняться.

Настоящий слингатрон, задачей которого будет забрасывать грузы на околоземную орбиту, должен быть значительно больше по размеру — диаметром около сотни километров; кроме того, он должен накачивать в шар энергию до тех пор, пока тот не разгонится до 11,2 км/с. Шар будет вылетать из слингатрона с ускорением в 1000 g, что тоже очень много. Далеко не каждый груз сможет выдержать такое ускорение. Прежде чем будет построен настоящий слингатрон, предстоит решить множество технических проблем, самая важная из которых — минимизировать трение между шаром и трубкой.

На доработку каждого из трех названных проектов даже в самом лучшем случае уйдет не один десяток лет, и то только если финансирование возьмет на себя правительство или частный бизнес. В противном случае эти прототипы навсегда останутся на столах своих изобретателей.

Далекое будущее (2070–2100 гг.)

Космический лифт

Не исключено, что к концу текущего века развитие нанотехнологий сделает возможным даже знаменитый космический лифт. Человек, подобно Джеку на бобовом стебле, сможет подняться по нему до облаков и выше. Мы будем входить в лифт, нажимать кнопку «вверх» и подниматься по волокну, представляющему собой углеродную нанотрубку длиной в тысячи километров. Понятно, что такая новинка могла бы перевернуть экономику космических путешествий и поставить все с ног на голову.

В 1895 г. русский физик Константин Циолковский, вдохновленный строительством Эйфелевой башни — самого высокого на тот момент сооружения в мире, задал себе простой вопрос: почему нельзя построить такую башню высотой до космоса? Если она будет достаточно высока, подсчитал он, она, согласно законам физики, никогда не упадет. Он назвал такую конструкцию «небесным дворцом».

Представьте себе шарик. Если вы начнете крутить его на веревочке, то центробежной силы будет вполне достаточно, чтобы удержать шарик от падения. Точно так же, если трос будет достаточно длинным, то центробежная сила удержит груз, закрепленный на его конце, от падения на землю. Вращения Земли будет достаточно, чтобы удержать трос в небе. Как только трос космического лифта протянется в небеса, любое транспортное средство, способное передвигаться по нему, сможет спокойно выехать в космос.

На бумаге такой фокус, похоже, работает. Но, к несчастью, если вы попробуете применить ньютоновы законы движения и рассчитать по ним натяжение троса, то окажется, что это натяжение превышает прочность стали: любой трос просто порвется, что делает космический лифт невозможным.

На протяжении многих лет и даже десятилетий идея космического лифта то забывалась, то снова обсуждалась, чтобы в очередной раз быть отвергнутой по той же причине. В 1957 г. русский ученый Юрий Арцутанов предложил свой вариант проекта, по которому строить лифт предполагалось не снизу вверх, а наоборот, сверху вниз. Предлагалось послать на орбиту космический корабль, который затем спустит оттуда трос; на земле его останется лишь закрепить. Фантасты тоже приложили руку к популяризации этого проекта. Артур Кларк вывел космический лифт в своем романе 1979 г. «Фонтаны рая», а Роберт Хайнлайн — в романе 1982 г. «Фрида».

Углеродные нанотрубки вновь возродили эту идею. Как мы уже видели, они обладают самой большой прочностью из всех известных материалов. Они прочнее стали, и потенциально по прочности нанотрубки могли бы противостоять нагрузкам, возникающим в конструкции космического лифта.

Проблема, однако, в том, чтобы создать трос из чистых углеродных нанотрубок длиной 80 000 км[45]. Это невероятно сложная задача, ведь до сих пор ученым удалось получить в лаборатории лишь несколько сантиметров чистой углеродной нанотрубки. Можно, конечно, свить вместе миллиарды нановолокон, но эти волокна не будут цельными. Задача в том, чтобы создать длинную нанотрубку, в которой каждый атом углерода будет находиться строго на своем месте.