Индустриализация космоса: ближайшие перспективы



источник

ЧАСТЬ I

А.Э. Юницкий

Я убеждён, что у нашей цивилизации нет и не может быть иного пути к выживанию, кроме переноса промышленности в космос. Это убеждение не покидает меня уже почти сорок лет и на протяжении всего этого времени является главным мотивом всего, что я делаю. Мне многого удалось достичь со времени первой публикации на эту тему, вышедшей в 1982 году в журнале «Изобретатель и рационализатор». Ещё большее мне предстоит. Знаю, что иду верной дорогой, и я никогда не был одинок на ней. Но если те, с кем я шёл и продолжаю идти, не смогут увлечь за собой решающее большинство людей на планете, то у этой планеты не будет будущего. А потому я призываю всех отнестись к тому, что описывается в этой статье с максимальным вниманием и серьёзностью. От этого зависит очень многое — будущее всей нашей земной цивилизации.
Текущее положение дел

Описание катастрофического состояния окружающей среды, экономики, политики и нравственности здесь будет излишним. Неправильность мироустройства и без того очевидна всем. Что ещё более характерно, мы почти не способны видеть выхода из сложившегося положения. Нам негде скрыться, некуда бежать и практически не на что надеяться. В сложившейся ситуации только космос остаётся пространством упований и тем горизонтом, где ещё есть место оптимизму, но даже и этот оптимизм отдаёт безысходностью. Освоение космического пространства предстаёт как полёт в один конец, реквием цивилизации, воспевающий её величие и обнажающий её беспомощность. Главный певец этого безысходного оптимизма Илон Маск исчерпывающе выразил основное его настроение: «Я бы хотел умереть на Марсе. Только не разбившись о поверхность планеты».

Представители научного сообщества, а также компании, работающие в космической отрасли, регулярно предлагают что-то на потребу публики.  Наибольший интерес вызывают такие направления их работы, как вывод поселений на орбиту Земли, строительство баз на поверхности Луны, а также экспансия и терраформирование Марса. СМИ с энтузиазмом подхватывают эти темы, а представители отрасли не устают подкидывать им что-то свежее. Из последнего – член Британского межпланетного общества Джерри Стоун в интервью Independent заявил, что уже через 20 лет на орбите Земли появятся жилые колонии, в которых могут проживать и работать тысячи людей, занятых обслуживанием солнечных батарей.  По мнению Стоуна, технологии за этот период продвинутся настолько, что человечеству даже не потребуется доставлять материалы с Земли. Существенная их часть будет добываться на Луне и ближайших астероидах.

14 марта 2017 года Роскосмос начал отбор кандидатов в отряд космонавтов, которые должны стать участниками экспедиции на Луну на новом космическом корабле «Федерация», который в настоящий момент находится в стадии разработки. Пилотируемая миссия к спутнику Земли намечена ориентировочно на 2030 год.

Не менее амбициозными выглядят планы американского бизнесмена Илона Маска, основателя SpaceX – компании-производителя космического оборудования, который ранее анонсировал программу колонизации Марса. В рамках данной программы Маск рассчитывает создать на красной планете автономное поселение, состоящее из миллиона жителей и находящееся на полном самообеспечении.

Подобные идеи освоения космоса не несут в себе ничего принципиально нового, а по своей сути являются реинкарнацией проектов, известных довольно давно, ещё со времён К. Э. Циолковского. Эти идеи не были реализованы в силу различных причин, главные из которых — отсутствие необходимых технологий, в первую очередь геокосмического транспорта, соответствующего поставленным целям и задачам, и общая дороговизна программ.  В качестве примеров можно вспомнить орбитальные города О’Нейла, проекты Longshot, Horizon, Lunex, MarsOne и другие.  Сегодня тема освоения и исследования космоса обретает второе «дыхание» и становится весьма популярным трендом не только среди научного сообщества, но и среди футурологов и энтузиастов.

Однако не следует забывать о том, что с момента окончания масштабной космической гонки между СССР и США в 1975 году никаких значимых событий в области освоения космического пространства не происходило. В основном, мировая космонавтика плыла по течению, а её деятельность ограничивалась запуском искусственных спутников и обслуживанием действующих МКС. Давайте разберемся, что же сегодня мешает человеку беспрепятственно бороздить космические просторы.

Неэффективность ракетного пути

Во-первых, отсутствие необходимых двигателей, способных придать нужную скорость для космического аппарата.  Самым быстрым беспилотным космическим кораблём, из всех запущенных до сегодняшнего дня, остаётся зонд Гелиос-2, достигший скорости 252792 км/ч. Зонд стартовал 15 января 1976 года для изучения солнечных процессов. Свою миссию он завершил в начале 1980-х годов, но до сих пор остаётся на эллиптической орбите вокруг Солнца. Двигаясь с такой достаточно высокой скоростью, нам понадобилось бы, по крайней мере, 19 000 лет, чтобы достичь ближайшего соседа Земли по звёздам. Поэтому, экспедиции на таких скоростях даже до границ Солнечной системы абсолютно бесперспективны. Единственное, что может ожидать экипаж корабля, – это смерть от старости.

Во-вторых, космические системы навигации находятся на крайне низком уровне развития. Основной сетью, используемой для обеспечения связи абсолютного большинства космических аппаратов, является DeepSpaceNetwork. Она способна эффективно работать лишь на сравнительно небольшом удалении от земли и не может быть использована для полётов на большие расстояния – хотя радиоволны и движутся со скоростью света, передача сигналов в глубокий космос по-прежнему занимает часы. Конечно, ориентируясь по звёздам можно определить и корректировать маршрут полёта, но они слишком далеки, чтобы сказать, в какой именно точке вы находитесь.

В-третьих, что особенно важно, у ракет-носителей, без которых не взлетишь с Земли, чрезвычайно низкая эффективность, и они экологически чрезвычайно опасны. Например, если учесть все полётные и предполётные затраты и потери энергии, то КПД ракеты – менее одного процента, что на порядок хуже, чем у архаичного паровоза. Кроме того, уже давно подсчитано, что всего 80 запусков в год тяжёлых ракет типа «Спейс Шаттл» способны полностью уничтожить озоновый слой планеты. Звучит как парадокс, но предельно допустимая производительность всего мирового ракетно-космического комплекса в настоящее время – менее тысячи тонн грузов в год, что находится на уровне производительности одной земной телеги с парой крепких лошадей. При баснословно высокой стоимости перевозок – доставка каждой тонны груза на орбиту обходится примерно в 10 миллионов долларов.

Единственным способом, при котором космические путешествия могут быть реализованы в обозримом будущем – это создание корабля-колонии, который может находиться в пути десятки, сотни и даже тысячи лет. Такой корабль должен строиться в космосе из космического же сырья.  За время путешествия первые обитатели экспедиции состарятся и умрут, а путешествие будут продолжать их потомки. Но даже при такой логике организации космических полётов, существуют неразрешимые технологические проблемы, в авангарде которых – создание искусственной гравитации на борту корабля, отсутствие систем замкнутого жизнеобеспечения и защиты от космической радиации.  Даже если эти проблемы будут решены в ближайшее время, на пути космических колонизаторов стоит еще одна, не менее важная: обеспечить запуск космического корабля такого масштаба с поверхности Земли невозможно, поэтому единственным вариантом остаётся его сборка на околоземной орбите. А у человечества до сих пор не существует иного способа доставки полезного груза в космос, кроме ракетного. Даже SpaceX – проект, делающий заметные успехи на пути удешевления космических перевозок, – представляет собой модернизированные межконтинентальные баллистические ракеты, выводившие астронавтов в космос еще в 1960-е годы.

Другими словами, мечты о космических путешествиях останутся лишь мечтами до тех пор, пока человечество не решит фундаментальную проблему космонавтики, а конкретно – найдёт новый способ освоения околоземного пространства.  В противном случае, использование реактивных двигателей в космической отрасли чревато экологической катастрофой и необратимыми изменениями в озоновом слое планеты.  В такой ситуации лететь к далёким планетам будет попросту некому.

Кроме того, планы по космической экспансии несут в себе ещё и нравственную угрозу, которую американский писатель-фантаст Ким Стэнли Робинсон охарактеризовал так: «Люди думают, что если мы испоганили Землю, мы всегда можем отправиться к Марсу или к звёздам. Это губительно».

Общепланетное транспортное средство

Как ни странно, решение основных проблем современной космонавтики существует уже давно: ещё в 70-е годы мною был предложен проект неракетной геокосмической транспортной системы – Общепланетное транспортное средство (ОТС), способное в кратчайшие сроки выводить огромное количество полезного груза на околоземную орбиту.

Первая публикация об этом проекте под названием «Пересадочная, космическая, кольцевая» была сделана в журнале «Изобретатель и рационализатор» в 1982 г. (см.  http://yunitskiy.com/news/1982/news19820402.htm). Идея вызвала большой интерес на международной уровне. Я был принят в Федерацию космонавтики СССР. Затем в 1987 г. сделал доклад «Спасательный круг планеты» на международном советско-американском семинаре (см. http://yunitskiy.com/news/1987/news19870512.htm), проходившем в Советском комитете защиты мира в Москве. Уже через год организовал и провёл Первую Международную научно-техническую конференцию «Безракетная индустриализация космоса: проблемы, идеи, проекты», собравшую со всего мира на моей родине, в городе Гомеле, около 500 участников (см. http://www.yunitskiy.com/news/1988/news19880429.htm). Основным событием на конференции стал мой доклад "Принципы создания оптимальной транспортной системы для индустриального освоения околоземного космического пространства". В докладе были обоснованы условия, которые определяют индустриализацию космоса как неизбежный этап развития нашей цивилизации. На основе четырех физических законов сохранения (энергии, импульса и др.) были даны критерии и проведён системный поиск оптимального геокосмического транспорта, удовлетворяющего этим критериям.

По результатам конференции и по заказу Федерации космонавтики СССР киностудия «Беларусьфильм» сняла обо мне 30-минутный документальный фильм «В небо на колесе». В 1989 году фильм демонстрировался в кинотеатрах СССР, а также за рубежом на английском языке (см. http://www.yunitskiy.com/news/1989/news19890205.htm).

Затем результаты 18-летних исследований были обобщены и, после развала СССР, когда интерес к космосу во всём мире пошёл на спад, я издал в 1995 г. научную монографию «Струнные транспортные системы: на Земле и в космосе» (см. http://www.yunitskiy.com/news/1995/news19951201.htm).

Основу предложенной программы индустриального освоения космоса составляет самое грандиозное инженерное сооружение на планете за всю историю цивилизации – тороидальная конструкция длиной 40 тысяч километров и диаметром более 12 тысяч километров, имеющая в поперечнике размер всего 2–3 метра – Общепланетное транспортное средство.

Общепланетное транспортное средство (ОТС), или SpaceWay («Космический путь»; под таким названием проект разрабатывается в настоящее время), представляет собой расположенное по экватору Земли (или параллельно экватору) кольцо, состоящее из отдельных сегментов, объединённых двумя изолированными от внешней среды продольными каналами, в которых поддерживается вакуум. Внутри каналов располагаются два линейных (ленточных) ротора-маховика, охватывающих планету и удерживаемых системой электромагнитов, смонтированной по принципу магнитной левитации, являющихся роторами гигантского электродвигателя, способного работать и в генераторном режиме.

Кольцо SpaceWay располагается на специально оборудованной эстакаде, опоясывающей планету, и идущей по суше, а также по воде (на специальных подводных понтонах). С помощью внешнего источника энергии один из расположенных внутри кольца линейных роторов разгоняется вдоль канала и, соответственно, раскручивается вокруг планеты до скорости, превышающей первую космическую скорость на уровне моря. Благодаря центробежной силе каждый погонный метр ротора сначала (при достижении первой космической скорости) уравновешивает свой вес, а затем стремится подняться вверх, обеспечивая подъёмную силу.
В начальном состоянии кольцо закреплено на эстакаде по всей своей длине. После отпускания зажимов каждый погонный метр ОТС начинает подниматься относительно центра планеты вверх, то есть увеличивать свой радиус, и, соответственно, длину. Конструкция линейных объектов кольца (корпуса вакуумных каналов, линейные электродвигатели, ленточные роторы) позволяет им увеличивать свою длину на 1,57% для каждых 100 км подъёма над поверхностью Земли. После выхода из плотных слоёв атмосферы ротор переводится в генераторный режим, а вырабатываемая электроэнергия используется для разгона второго ротора в противоположном направлении. В результате корпус SpaceWay, с размещённой в нём (или на нём) полезной нагрузкой, начинает не только подниматься (удлиняться) вверх, в космос, выбираясь из земной гравитационной ямы, но и вращаться вокруг планеты, пока не достигнет на заданной высоте первой космической скорости. Высота, которой достигнет и на которой стабилизируется кольцо этого гигантского геокосмического транспортного средства, определяется избытком первоначальной кинетической энергии ротора и возможностями удлинения (растяжения) кольца.
Разгрузка SpaceWay производится в стационарную орбитальную инфраструктуру, находящуюся в плоскости экватора на высоте в несколько сот километров. На этой орбите будет размещена вся тяжёлая индустрия Земли – заводы, фабрики, цеха, электростанции, химические предприятия, металлургия, иное, а также обслуживающие эту индустрия орбитальные поселения землян – учёные, инженеры, технологи, машиностроители, космические строители и др. Посадка SpaceWay осуществляется в той же логике, что и взлёт, но в обратном порядке.
За один рейс (!) ОТС способно доставить на орбиту порядка 10 млн тонн всевозможных грузов1 и 10 млн пассажиров2. За год система сможет выходить в космос до 100 раз.

SpaceWay снизит себестоимость геокосмических перевозок более чем в тысячу раз – до нескольких тысяч долларов за одну тонну груза.

Экологически чистый самонесущий геокосмический транспорт, работающий исключительно на электрической энергии, позволит реально осуществить индустриализацию ближнего космоса и обеспечит вынос за пределы планеты всех вредных для земной биосферы промышленных производств, создав их вновь на околоземной орбите. Это сразу же откроет доступ к принципиально новым технологиям за счёт использования уникальных космических возможностей, недоступных на Земле: невесомости, глубокого вакуума, сверхнизких и сверхвысоких температур, неисчерпаемых источников энергии и ресурсов, в том числе минеральных и пространственных. Потрясающие возможности открываются и в области информационных и энергетических коммуникаций. Вынос чуждой планете промышленности за её пределы радикально улучшит нашу общую среду обитания, наш общий дом – биосферу Земли, особенно в индустриальных регионах, без каких-либо ограничений роста производства.

Практически все инженерные решения, применяемые в проекте, широко известны, апробированы на практике и реализованы в настоящее время в промышленности. Проект за прошедшие 40 лет многократно исследован и проверен расчётными методами. Он полностью технически и экономически обоснован и реализуем сегодня доступными возможностями и средствами даже для экономики одной страны, например, такой как США, Китай или Россия.

Для реализации проекта у человечества сегодня есть всё необходимое:
1. Финансы: необходимо около 1,5 триллионов долларов, то есть 2—3 годовых военных бюджета США;
2. Металл: требуется порядка 100 миллионов тонн, то есть столько стали, сколько её выплавляется в мире за пару недель, или столько, сколько тратится её за несколько месяцев только на производство автомобилей;
3. Бетон: достаточно порядка 10 миллионов кубических метров, то есть примерно столько же, сколько ушло его на строительство одной-единственной плотины Саяно-Шушенской ГЭС;
4. Электрическая энергия: потребляемая мощность ОТС (для указанного выше объёма геокосмических перевозок) составит порядка 100 миллионов киловатт, что соизмеримо с мощностью одного-единственного тяжёлого ракетоносителя типа «Спейс Шаттл», или составляет менее 5% суммарной мощности электростанций мира3.
Срок реализации проекта составит порядка 15 лет с учётом социально-политических, научно-исследовательских, опытно-конструкторских, проектно-изыскательских и строительно-монтажных работ.

Такая глобальная геокосмическая программа позволит объединить вокруг себя все развитые страны мира общими целями и задачами, а также привлечь их к финансированию этого сверхамбициозного проекта, призванного спасти человечество.

Продолжение