Что произойдет, если сломается космический лифт

Ретт Аллен

В первом эпизоде ​​сериала «Основание» на Apple TV мы видим, как террорист пытается уничтожить космический лифт, используемый Галактической Империей. Кажется, это отличный шанс поговорить о физике космических лифтов и подумать, что произойдет, если один из них взорвется. (Подсказка: это было бы нехорошо.)

Людям нравится размещать вещи за пределами земной атмосферы: это позволяет нам иметь метеорологические спутники, космическую станцию, спутники GPS и даже космический телескоп Джеймса Уэбба. Но сейчас наш единственный вариант отправить материал в космос — это привязать его к управляемому химическому взрыву, который мы обычно называем «ракетой».

Не поймите меня неправильно, ракеты — это круто, но они также дороги и неэффективны. Давайте рассмотрим, что нужно, чтобы вывести 1-килограммовый объект на низкую околоземную орбиту (НОО). Это примерно в 400 километрах над поверхностью Земли, примерно там, где находится Международная космическая станция. Чтобы вывести этот объект на орбиту, вам необходимо выполнить две вещи. Сначала нужно поднять его на 400 километров вверх. Но если бы вы только увеличили высоту объекта, он бы не пробыл в космосе долго. Он просто упадет обратно на Землю. Итак, во-вторых, чтобы удержать эту штуку на НОО, она должна двигаться – очень быстро.

Небольшое напоминание об энергии: оказывается, что количество энергии, которое мы вкладываем в систему (мы называем это работой), равно изменению энергии в этой системе. Мы можем математически моделировать различные виды энергии. Кинетическая энергия — это энергия, которую объект имеет благодаря своей скорости. Таким образом, если вы увеличите скорость объекта, его кинетическая энергия увеличится. Гравитационная потенциальная энергия зависит от расстояния между объектом и Землей. Это означает, что увеличение высоты объекта увеличивает потенциальную гравитационную энергию.

Допустим, вы хотите использовать ракету, чтобы увеличить потенциальную гравитационную энергию объекта (чтобы поднять его на нужную высоту), а также увеличить его кинетическую энергию (чтобы разогнать его до скорости). Выход на орбиту зависит больше от скорости, чем от высоты. Только 11 процентов энергии будет приходиться на гравитационную потенциальную энергию. Остальное будет кинетическим.

Общая энергия, необходимая для вывода на орбиту всего лишь 1-килограммового объекта, составит около 33 миллионов джоулей. Для сравнения, если поднять учебник с пола и положить его на стол, это займет около 10 джоулей. Чтобы выйти на орбиту, потребуется гораздо больше энергии.

Энди Гринберг

Нгофин Мпутубвеле

Джулиан Чоккатту

Кэти Альтер

Но на самом деле проблема еще сложнее. В случае с химическими ракетами им нужна не только энергия, чтобы вывести на орбиту этот 1-килограммовый объект — ракетам также необходимо нести топливо для полета на НОО. Пока они не сожгут это топливо, это, по сути, просто дополнительная масса для полезной нагрузки, а это значит, что им нужно запускать с еще большим количеством топлива. Для многих реальных ракет до 85 процентов общей массы может составлять только топливо. Это супер неэффективно.

А что, если вместо запуска на химической ракете ваш объект мог бы просто подняться на кабеле, тянущемся в космос? Вот что произойдет с космическим лифтом.

Предположим, вы построили гигантскую башню высотой 400 километров. Вы могли бы подняться на лифте наверх и оказаться в космосе. Просто, правда? Нет, на самом деле это не так.

Во-первых, такую ​​конструкцию из стали нелегко построить; вес, скорее всего, сожмет и разрушит нижние части башни. Кроме того, для этого потребуется огромное количество материала.

Но это не самая большая проблема — все еще существует проблема со скоростью. (Помните, чтобы попасть на орбиту, вам нужно двигаться очень быстро.) Если бы вы стояли на вершине 400-километровой башни с основанием где-то на экваторе Земли, вы бы действительно двигались, потому что планета вращается — это подобно движению человека снаружи вращающейся карусели. Поскольку Земля вращается примерно раз в день (есть разница между сидерическим и синодическим вращением), ее угловая скорость составляет 7,29 х 10-5 радиан в секунду.