우주 엘리베이터 건설은 이미 우리의 엔지니어링 역량 범위 내에 있지만, 안타깝게도 최근 이 구조물을 둘러싼 열정이 사그라들었습니다. 그 이유는 과학자들이 아직까지 산업적 규모로 요구되는 강도의 탄소나노튜브를 생산할 수 있는 기술을 확보하지 못했기 때문이다.

로켓 없이 화물을 궤도로 발사한다는 아이디어는 이론적 우주론을 창시한 사람인 Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky가 제안했습니다. 그는 파리에서 본 에펠탑에서 영감을 받아 우주 엘리베이터에 대한 자신의 비전을 엄청난 높이의 탑 형태로 묘사했습니다. 그 꼭대기는 지구 중심 궤도에 있을 것입니다.

엘리베이터 타워는 압축을 방지하는 견고한 재료를 기반으로 하지만 우주 엘리베이터에 대한 현대적인 아이디어에서는 여전히 인장 강도가 필요한 케이블 버전을 고려하고 있습니다. 이 아이디어는 1959년에 또 다른 러시아 과학자 유리 니콜라예비치 아르투타노프(Yuri Nikolaevich Artsutanov)에 의해 처음 제안되었습니다. 케이블 형태의 우주 엘리베이터에 대한 자세한 계산이 포함된 최초의 과학 연구는 1975년에 출판되었으며, 1979년 Arthur C. Clarke는 그의 작품 "천국의 분수"에서 이를 대중화했습니다.

비록 나노튜브가 이 순간가장 강한 재료로 인식되고 정지궤도 위성에서 끌어온 케이블 형태의 엘리베이터를 만드는 데 적합한 유일한 재료로 알려져 있지만, 실험실에서 얻은 나노튜브의 강도는 아직 계산된 강도에 도달하기에는 충분하지 않습니다.

이론적으로 나노튜브의 강도는 120GPa 이상이어야 하지만 실제로 단일벽 나노튜브의 가장 높은 신장률은 52GPa였으며 평균적으로 30-50GPa 범위에서 파손되었습니다. 우주 엘리베이터에는 65~120GPa 강도의 재료가 필요합니다.

지난해 말 미국 최대 다큐멘터리 영화제인 DocNYC에서는 NASA X-Prize 대회 참가자를 포함하여 미국 엔지니어들의 우주 엘리베이터 건설 시도를 그린 영화 Sky Line을 상영했습니다.

영화의 주인공은 브래들리 에드워즈와 마이클 레인이다. Edwards는 1998년부터 우주 엘리베이터 아이디어를 연구해 온 천체 물리학자입니다. Lane은 탄소 나노튜브의 상업적 사용을 촉진하는 회사인 LiftPort의 기업가이자 창립자입니다.

90년대 후반과 2000년대 초반, NASA로부터 보조금을 받은 Edwards는 우주 엘리베이터 아이디어를 집중적으로 개발하여 프로젝트의 모든 측면을 계산하고 평가했습니다. 그의 모든 계산은 이 아이디어가 실현 가능하다는 것을 보여줍니다. 케이블에 사용할 수 있을 만큼 강한 섬유만 나타나면 말이죠.

Edwards는 엘리베이터 프로젝트에 대한 자금 조달을 위해 LiftPort와 잠시 파트너십을 맺었지만 내부 의견 차이로 인해 프로젝트는 실현되지 않았습니다. LiftPort는 2007년에 문을 닫았습니다. 하지만 1년 전에는 일부 기술에 대한 개념 증명의 일환으로 풍선에 매달린 1마일 길이의 수직 케이블을 오르는 로봇을 성공적으로 시연했습니다.

재사용 가능한 로켓에 초점을 맞춘 개인 공간은 가까운 미래에 우주 엘리베이터 개발을 완전히 대체할 수 있습니다. 그에 따르면, 우주 엘리베이터는 화물을 궤도로 운반하는 더 저렴한 방법을 제공하고 이 운반 비용을 줄이기 위해 재사용 가능한 로켓이 정확하게 개발되고 있다는 점 때문에 매력적입니다.

Edwards는 아이디어가 정체된 이유를 프로젝트에 대한 실질적인 지원 부족 때문이라고 비난합니다. “전 세계에 흩어져 있는 수백 명의 사람들이 취미로 개발하는 프로젝트의 모습입니다. 실질적인 지원과 중앙집중적인 통제가 이루어지기 전까지는 심각한 진전은 없을 것입니다."

일본의 우주 엘리베이터 아이디어 개발 상황은 다릅니다. 일본은 로봇공학 분야의 발전으로 유명하며, 일본의 물리학자 이지마 스미오(Sumio Iijima)는 나노튜브 분야의 선구자로 여겨진다. 우주 엘리베이터에 대한 아이디어는 여기에서 거의 전국적입니다.

일본 기업 오바야시(Obayashi)는 2050년까지 업무용 엘리베이터를 제공하겠다고 약속했습니다. 이 회사의 CEO인 요지 이시카와(Yoji Ishikawa)는 기존 나노튜브 기술을 개선하기 위해 민간 계약자 및 지역 대학과 협력하고 있다고 말했습니다.

Ishikawa는 회사가 프로젝트의 복잡성을 이해하지만 구현에 근본적인 장애물이 없다고 말합니다. 그는 또한 일본에서 우주 엘리베이터 아이디어가 인기를 얻은 것은 지난 수십 년 동안의 어려운 경제 상황을 배경으로 사람들을 하나로 묶는 일종의 국가적 아이디어가 필요하기 때문이라고 믿습니다.

이시카와는 이 정도 규모의 아이디어는 오직 다음을 통해서만 실현될 수 있다고 확신합니다. 국제협력, 일본은 우주 엘리베이터의 큰 인기로 인해 기관차가 될 수 있습니다.

한편, 캐나다 우주 및 방위 기업인 Thoth Technology는 지난 여름 자신들의 우주 엘리베이터 버전으로 미국 특허 번호 9,085,897을 획득했습니다. 보다 정확하게는 압축 가스 덕분에 강성을 유지하는 타워를 건설하는 개념입니다.

타워는 화물을 20km 높이까지 운반해야 하며, 그곳에서 기존 로켓을 사용하여 궤도로 발사됩니다. 회사의 계산에 따르면 이 중간 옵션은 로켓에 비해 연료를 최대 30% 절약할 수 있습니다.

우주 엘리베이터를 타는 것은 아마도 노즐의 포효도 없고 맹렬한 불꽃의 기둥도 없는 열기구 비행을 연상시킬 것입니다. 지구는 순조롭게 내려갑니다. 집은 점점 작아지고, 도로는 거의 눈에 띄지 않는 실로 변하고, 강의 은빛 리본이 얇아지고 있습니다. 마침내 하위의 허망한 세계가 구름 속에 감춰지고, 상위의 초월적인 세계가 드러납니다. 대기가 지나갔고 유리 뒤에는 우주의 암흑이 있습니다. 그리고 캐빈은 케이블을 따라 점점 더 높이 미끄러지며 행성의 청록색 배경에 보이지 않고 바닥 없는 공허 속으로 들어갑니다.

Tsiolkovsky는 또한 궤도를 지구 표면과 연결할 수 있는 설계를 설명했습니다. 1960년대 초, 유리 아르투타노프(Yuri Artsutanov)가 이 아이디어를 발전시켰고, 아서 클라크(Arthur Clarke)는 소설 천국의 분수(The Fountains of Paradise)에서 이를 사용했습니다. "World of Fantasy"는 우주 엘리베이터라는 주제로 돌아가서 그것이 어떻게 작동해야 하고 무엇이 필요한지 상상해 봅니다.

정지궤도

위성이 관찰자의 머리 위에서 움직이지 않고 얼어붙는 것이 가능합니까? 프톨레마이오스의 세계 시스템처럼 지구가 움직이지 않는다면 대답은 "아니요"가 될 것입니다. 결국 원심력이 없으면 위성은 궤도에 머물지 않을 것입니다. 그러나 우리가 알고 있듯이 관찰자 자신은 움직이지 않고 행성과 함께 회전합니다. 위성의 궤도 주기가 항성일(23시간 56분 4초)과 같고 궤도가 적도면에 있는 경우 장치는 소위 "서 있는 지점" 위로 맴돌게 됩니다.

위성이 정지점을 기준으로 정지해 있는 궤도를 정지궤도라고 합니다. 그리고 이는 우주 탐사에 매우 중요합니다. 대부분의 통신위성이 위치한 곳으로, 통신이 우주를 상업적으로 활용하는 주요 영역이다. 적도 위에 매달린 중계기를 통한 전송은 고정된 "플레이트"에서 수신될 수 있습니다.

정지궤도에 유인 관측소를 배치하는 방안도 있다. 무엇을 위해? 첫째, 통신위성의 유지 및 수리를 위한 것이다. 위성이 몇 년 더 작동하려면 태양광 패널과 안테나의 방향을 보장하는 마이크로모터에 연료를 공급하는 것만으로도 충분합니다. 유인 스테이션은 정지 궤도를 따라 이동하고 하강할 수 있으며(동시에 각속도가 "서 있는" 위성의 각속도보다 높아짐) 유지 관리가 필요한 차량을 따라잡고 다시 상승할 수 있습니다. 이는 희박한 대기와의 마찰을 극복할 때 저궤도 정거장이 소비하는 것보다 더 많은 연료를 소비하지 않습니다.

그 혜택이 엄청날 것 같습니다. 그러나 그러한 원격 전초기지를 공급하는 데는 비용이 너무 많이 듭니다. 승무원을 변경하고 수송선을 보내려면 현재 사용되는 것보다 5배 더 무거운 발사체가 필요합니다. 훨씬 더 매력적인 아이디어는 고고도 스테이션을 사용하여 우주 엘리베이터를 만드는 것입니다.

케이블

정지궤도 위성에서 지구 방향으로 케이블이 떨어지면 어떻게 될까요? 첫째, 코리올리 힘이 그를 앞으로 이끌 것입니다. 결국, 위성과 동일한 속도를 수신하지만 더 낮은 궤도에 있게 되며, 이는 각속도가 더 높아진다는 것을 의미합니다. 그러나 시간이 지나면 케이블의 무게가 늘어나 수직으로 늘어지게 됩니다. 회전 반경이 줄어들고 원심력이 더 이상 중력과 균형을 이룰 수 없게 됩니다. 계속해서 로프를 에칭하면 조만간 행성 표면에 도달하게 될 것입니다.

시스템의 무게 중심이 이동하는 것을 방지하려면 균형추가 필요합니다. 어떤 사람들은 다 쓴 위성이나 작은 소행성을 밸러스트로 사용할 것을 제안합니다. 그러나 더 흥미로운 옵션이 있습니다. 지구에서 반대 방향으로 케이블을 에칭하는 것입니다. 또한 곧게 펴지고 늘어날 것입니다. 그러나 더 이상 자체 무게가 아니라 원심력 때문입니다.

두 번째 케이블은 단순 안정기보다 더 유용합니다. 로켓 없이 정지 궤도로 화물을 저렴하게 배송하는 것은 유용하지만 그 자체로는 엘리베이터 비용을 지불할 수 없습니다. 고도 36,000km에 있는 역은 환승 지점일 뿐입니다. 또한, 에너지를 낭비하지 않고 가속 원심력, 하중은 두 번째 케이블을 따라 이동합니다. 지구에서 144,000km 떨어진 곳에서 그들의 속도는 두 번째 우주 속도를 초과합니다. 엘리베이터는 투석기로 변해 행성의 자전 에너지를 이용해 달, 금성, 화성에 발사체를 보냅니다.

문제는 케이블이 엄청난 길이에도 불구하고 자체 무게로 인해 끊어져서는 안 된다는 것입니다. 강철 로프의 경우 이는 이미 60km 길이에서 발생합니다(직조 중에 결함이 불가피하기 때문에 훨씬 더 일찍 발생할 수도 있음). 로프의 두께가 높이에 따라 기하급수적으로 증가하는 경우 파손을 방지할 수 있습니다. 결국 각 후속 섹션은 자체 무게와 이전 모든 섹션의 무게를 견뎌야 합니다. 그러나 사고 실험은 중단되어야 합니다. 상단에 가까울수록 케이블은 철이 보유할 수 있는 두께에 도달합니다. 지각그에게는 충분하지 않습니다.

방탄복과 낙하산 라인을 만드는 가장 강한 폴리에틸렌 "Dyneema"조차도 적합하지 않습니다. 밀도가 낮고 단면적이 1평방 밀리미터로 2톤의 하중을 견딜 수 있으며 자체 무게로 인해 길이 2500km에서만 파손됩니다. 하지만 다이니마 케이블은 질량이 약 30만톤에 달하고 상단 두께도 10m에 달해야 한다. 그러한 화물을 궤도로 운반하는 것은 거의 불가능하며 엘리베이터는 위에서만 건설할 수 있습니다.

1991년에 발견된 탄소 나노튜브는 이론적으로 케블라보다 30배 더 강할 수 있다는 희망을 줍니다(실제로는 폴리에틸렌 로프가 여전히 더 강합니다). 잠재력에 대한 낙관적인 추정이 확인되면 길이 36,000km, 무게 270톤, 운반 용량 10톤의 일정한 단면을 갖는 테이프를 생산할 수 있습니다. 그리고 비관적인 추정조차 확인된다면, 지구 근처에서 두께가 1mm이고 궤도에서 25cm(균형추를 고려하지 않은 질량 900톤)의 케이블이 있는 엘리베이터는 더 이상 공상 과학 소설이 아닐 것입니다.

승강기

우주 엘리베이터용 리프트를 만드는 것은 결코 쉬운 일이 아닙니다. 케이블을 만들려면 새로운 기술만 개발하면 된다. 이 케이블을 타고 화물을 궤도로 운반할 수 있는 메커니즘은 아직 개발되지 않았습니다. 드럼에 감긴 로프에 캐빈을 부착하는 "세상적인" 방법은 비판에 견디지 못합니다. 하중의 질량은 로프의 질량에 비해 무시할 수 있습니다. 리프트는 스스로 올라가야 합니다.

구현하기 어렵지 않은 것 같습니다. 케이블은 롤러 사이에 고정되어 있으며 기계는 마찰로 인해 위로 올라갑니다. 그러나 이것은 공상 과학 소설에서만 우주 엘리베이터, 즉 객실이 움직이는 타워 또는 거대한 기둥입니다. 실제로는 거의 보이지 않는 실 한 가닥이 지구 표면까지 닿게 되는데, 최선의 시나리오: 좁은 테이프. 지지대와 롤러의 접촉 면적은 무시할 수 있으며 이는 마찰이 클 수 없음을 의미합니다.

한 가지 제한 사항이 더 있습니다. 메커니즘이 케이블을 손상해서는 안 된다는 것입니다. 아쉽게도 나노섬유는 놀라울 정도로 찢어지지 않지만 자르거나 닳기 어렵다는 의미는 아닙니다. 깨진 케이블을 교체하는 것은 매우 어렵습니다. 그리고 만약 그것이 높은 고도에서 폭발한다면, 원심력으로 인해 정거장이 우주로 멀리 이동하게 되어 전체 프로젝트가 망가질 것입니다. 비상 시 궤도에서 시스템의 무게 중심을 유지하려면 케이블 전체 길이를 따라 작은 지뢰를 배치해야 합니다. 가지 중 하나가 부러지면 즉시 반대쪽 가지의 동일한 부분을 잘라냅니다.

해결해야 할 다른 흥미로운 문제가 많이 있습니다. 예를 들어, 서로를 향해 이동하는 리프트의 발산과 "갇힌" 캐빈에서 승객의 구조 등이 있습니다.

가장 어려운 문제는 리프트에 전원을 공급하는 것입니다. 엔진에는 많은 에너지가 필요합니다. 기존 배터리와 개발 중인 배터리의 용량은 충분하지 않습니다. 화학 연료와 산화제를 공급하면 리프트가 탱크와 엔진의 다단계 시스템으로 바뀔 것입니다. 그런데 이 멋진 디자인에는 값비싼 케이블이 필요하지 않습니다. 이 케이블은 현재 존재하며 "부스터 로켓"이라고 불립니다.

가장 쉬운 방법은 케이블에 접촉 와이어를 만드는 것입니다. 그러나 케이블은 금속 배선의 무게를 견디지 ​​못합니다. 이는 나노튜브가 전도성을 갖도록 "학습"해야 함을 의미합니다. 전기. 태양광 패널이나 방사성 동위원소 소스 형태의 자율 전력 공급은 다소 약합니다. 가장 낙관적인 추정에 따르면 이들의 증가는 수십 년이 걸릴 것입니다. 질량 대 전력 비율이 더 나은 원자로는 객실을 궤도에 진입시키는 데 수년이 걸릴 것입니다. 하지만 그 자체가 너무 무거워서 도중에 2~3번의 재급유도 필요합니다.

아마도, 최선의 선택- 엘리베이터의 수신장치에 조사되는 레이저나 마이크로파 총을 이용하여 에너지를 전달하는 것입니다. 그러나 단점이 없는 것은 아닙니다. 현재 기술 수준에서는 받은 에너지 중 극히 일부만이 전기로 변환될 수 있습니다. 나머지는 열로 바뀌므로 공기가 없는 공간에서 제거하는 것은 매우 문제가 됩니다.

케이블이 손상되면 손상된 부분으로 수리공을 파견하기가 어렵습니다. 그리고 깨지면 너무 늦습니다 (프레임에서 헤일로 게임 3: ODST)

방사선 방호

빛을 타고 싶은 사람들에게 나쁜 소식은 엘리베이터가 지구의 방사선 벨트를 통과한다는 것입니다. 행성의 자기장은 태양풍 입자(양성자와 전자)를 포착하여 위험한 방사선이 표면에 도달하는 것을 방지합니다. 결과적으로 지구는 적도면에서 두 개의 거대한 토리로 둘러싸여 있으며 그 내부에는 하전 입자가 집중되어 있습니다. 우주선조차도 이러한 지역을 피하려고 노력합니다.

첫 번째 벨트인 양성자 트랩은 고도 500~1,300km에서 시작하여 고도 7,000km에서 끝납니다. 그 뒤에는 고도 약 13,000km까지는 비교적 안전한 지역이 있습니다. 그러나 더 나아가 13,000~20,000km 사이에는 고에너지 전자의 외부 복사 벨트가 확장됩니다.

궤도 관측소는 방사선 벨트 아래에서 회전합니다. 유인 우주선달 탐사 중에만 건너갔고 몇 시간만 보냈습니다. 그러나 리프트가 각 벨트를 극복하려면 약 하루가 필요합니다. 이는 객실에 심각한 방사선 방지 장치가 장착되어야 함을 의미합니다.

계류탑

우주 엘리베이터의 기초는 일반적으로 에콰도르 어딘가, 가봉의 정글 또는 오세아니아의 환초에 위치한 복합 지상 구조물로 상상됩니다. 그러나 가장 확실한 해결책이 항상 최선은 아닙니다. 궤도에서 방출되면 밧줄을 배의 갑판이나 거대한 탑 꼭대기에 고정할 수 있습니다. 해상 선박은 허리케인을 피할 수 있으며, 이로 인해 바람이 많이 불어 엘리베이터가 파손되지 않으면 엘리베이터가 떨어질 수 있습니다.

12-15km 높이의 타워는 대기의 폭력으로부터 케이블을 보호하고 길이도 다소 단축시킵니다. 언뜻 보면 이점이 미미해 보이지만, 케이블의 질량이 길이에 따라 기하급수적으로 달라지는 경우 작은 이득이라도 눈에 띄는 절감 효과를 얻을 수 있습니다. 또한 계류 타워를 사용하면 스레드의 가장 얇고 가장 취약한 부분을 제거하여 시스템의 운반 용량을 약 두 배로 늘릴 수 있습니다.

그러나 그러한 높이의 건물을 세우는 것은 SF 소설의 페이지에서만 가능합니다. 이론적으로 이러한 타워는 다이아몬드 경도의 재료로 건설할 수 있습니다. 실제로 어떤 기초도 그 무게를 지탱하지 못합니다.

그럼에도 불구하고 수 킬로미터 높이에 계류탑을 건설하는 것은 가능합니다. 건축 자재는 콘크리트가 아닌 가스, 즉 헬륨으로 채워진 풍선이어야 합니다. 이러한 타워는 "부유물"이 될 것이며, 그 하부는 대기에 잠겨 있고 아르키메데스의 힘으로 인해 이미 거의 공기가 없는 공간에 있는 상부를 지지합니다. 이 구조는 개별적이고 작은 크기의 완전히 교체 가능한 블록으로 아래에서 구축할 수 있습니다. 100km, 심지어 160km 높이에 도달하는 "팽창식 타워"에는 근본적인 장애물이 없습니다.

우주엘리베이터가 없어도 '떠다니는 타워'는 의미가 있다. 발전소와 마찬가지로 외부 껍질이 태양 전지판으로 덮여 있는 경우. 반경 1500km 지역을 서비스하는 중계기와 같습니다. 마지막으로 대기의 상층부를 연구하기 위한 관측소이자 기지로 사용됩니다.

그리고 수백 킬로미터의 높이를 목표로 하지 않는다면 고도 40킬로미터에 “정박”된 고리 모양의 풍선을 정박지로 사용할 수 있습니다. 거대한 비행선(또는 서로 위에 위치한 여러 비행선)은 지난 수십 킬로미터 동안 무게를 견디며 엘리베이터 케이블을 내릴 것입니다.

그러나 가장 중요한 이점은 360km/h의 속도로 적도 상공을 비행하는 고고도 비행선 형태의 움직이는 플랫폼에서 비롯됩니다(이는 엔진이 태양광 패널과 원자로로 구동될 때 상당히 달성 가능). . 이 경우 위성은 한 지점 위로 마우스를 이동할 필요가 없습니다. 궤도는 정지궤도 궤도보다 7,000km 아래에 위치하게 되며, 이로 인해 케이블 길이는 20%, 질량은 2.5배 감소하게 됩니다(“계류 타워” 사용으로 인한 이점 고려). 비행선 자체에화물을 전달하는 문제를 해결하는 것이 남아 있습니다.

중력 투석기

우주 엘리베이터는 가장 야심찬 프로젝트이지만 발사를 위해 테더를 사용하는 유일한 프로젝트는 아닙니다. 우주선. 현재의 기술 수준에서는 몇 가지 다른 계획을 실현할 수 있습니다.

예를 들어, 케이블로 묶인 하중이 지구에서 멀어지는 궤도에 매달려 있는 셔틀에서 "위로" 밀려나면 어떻게 될까요? 운동량 보존의 법칙에 따라 우주선 자체는 낮은 궤도로 이동합니다. 그리고 그것은 떨어지기 시작할 것입니다. 풀린 케이블을 함께 끌고 있는 하중은 먼저 코리올리 힘에 의해 뒤로 편향된 다음 "위로" 돌진합니다. 실제로 회전 반경이 증가하면 중력이 약해지고 원심력이 증가합니다. 이 시스템은 고대 투척 기계인 투석기처럼 작동합니다. 셔틀은 돌이 있는 케이지 역할을 하고 케이블은 슬링으로 바뀌며 축은 공통 센터우주선의 초기 궤도에서 무중력 상태에 있는 시스템의 질량. 축을 기준으로 회전하면 케이블이 수직 방향으로 곧게 펴지고 늘어나서 하중이 던져집니다.

중력 투석기와 우주 엘리베이터의 차이점은 엘리베이터의 "케이지" 역할이 행성 자체에 의해 수행되어 "지구 발사체"의 질량 중심에 비해 구별할 수 없을 정도로 작은 높이로 "떨어진다"는 것입니다. 체계. 이 경우 셔틀의 운동에너지가 소비됩니다. 선박은 추진력의 일부를 화물(예: 자동 행성 간 스테이션)로 전달하여 속도와 고도를 잃고 대기의 조밀한 층으로 들어갑니다. 그것은 또한 좋은데, 일반적으로 셔틀이 궤도를 벗어나기 위해서는 엔진에 의해 속도가 느려지고 연료가 연소되어야 하기 때문입니다.

케이블 투석기의 도움으로 셔틀은 기존 방식보다 화성이나 금성으로 2~3배 더 많은 화물을 보낼 수 있습니다. 그러나 여전히 셔틀 시스템은 효율성 측면에서 기존 발사체와 경쟁할 수 없습니다. 결국, "투석기" 발사를 위해서는 페이로드뿐만 아니라 "균형추"가 있는 거대한 케이블도 궤도로 발사해야 합니다. 또 다른 점은 투석기의 평형추가 궤도에서 직접 찾을 수 있다는 것입니다. 예를 들어 임무를 완료한 수송선이 그렇게 할 것입니다. 게다가, 지구 주위를 돌고 있는 대량의 "우주 쓰레기"가 있으며, 이는 가까운 미래에 수집되어야 합니다.

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우주 엘리베이터 건설과 관련된 문제는 아직 해결되지 않았습니다. 로켓과 셔틀에 대한 비용 효율적인 대안은 곧 나타나지 않을 것입니다. 그러나 현재 "공허로 향하는 계단"은 과학이 진행 중인 가장 환상적이고 대규모 프로젝트입니다. 길이가 행성 직경의 수십 배에 달하는 구조가 효과가 없다고 판명되더라도 인류 역사의 새로운 단계가 시작될 것입니다. Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky가 100여 년 전에 말한 것과 동일한 "요람에서 나가는 것"입니다.

우주 엘리베이터에 대한 아이디어는 러시아 과학자 Konstantin Tsiolkovsky가 1895년 처음으로 개념과 개념을 공식화한 순간부터 수년 동안 인류의 마음을 흥분시켜 왔습니다. 그는 최근 건설된 에펠탑에서 영감을 받아 지상에서 정지궤도까지 이어지는 독립형 구조를 설명했습니다. 적도 위 36,000km 높이에서 지구의 자전 방향을 따라 정확히 하루의 궤도 주기를 갖는 끝점에서 이 구조물은 고정된 위치에 유지됩니다.

우주 경쟁이 시작되고 지구 궤도를 도는 유인 임무가 점점 보편화되면서 20세기 중후반에 더 자세한 제안이 등장했습니다. 우주 엘리베이터가 지구 궤도 도달 비용을 획기적으로 줄여 지구 근처 우주에 대한 접근을 혁신할 수 있기를 바랐습니다. 대기권 밖, 달, 화성, 심지어 그 너머까지. 그러나 초기 투자와 필요한 기술 수준으로 인해 그러한 프로젝트는 비실용적이며 SF의 영역으로 전락되었습니다.

21세기의 첫 10년 동안 이 개념은 . 직경이 1~수십 나노미터인 이러한 확장된 원통형 구조는 무제한 길이의 실로 "엮어"질 수 있습니다. 또한 이 재료는 우주 엘리베이터 케이블을 만드는 데 필요한 충분히 높은 강도와 ​​동시에 낮은 밀도를 갖습니다.

한계는 다릅니다. 지금까지 탄소 나노튜브는 소량으로 생산되었습니다. "하늘로 연결되는" 단 하나의 케이블만으로는 충분하지 않습니다. 2004년에 단일벽 나노튜브의 길이 기록은 0.4cm에 불과했지만, 2006년에 과학자들은 나노제품의 길이를 7mm로 늘렸습니다. 2008년에 과학자들은 길이가 185cm, 너비가 92cm에 달하는 나노튜브로 "카펫"을 엮는 데 성공했지만 그 이후로 이 업계에서는 새로운 돌파구가 없었습니다. 이 기술은 매우 유망하지만 생산 공정을 개선하려면 추가 연구가 필요합니다.

한편, 전 세계 과학자들은 우주 엘리베이터에 대한 아이디어를 계속 개발하고 있습니다. 그래서 일본은 2012년 초, 2012년 말에 발표했습니다. 2013년에 언론은 "우주 엘리베이터"의 러시아 뿌리를 기억했습니다. 그렇다면 이런 말도 안되는 아이디어는 언제 현실이 될까요?

미래학의 원칙에 의존하고, 데이터 외삽 방법을 사용하고, 금융의 글로벌 역학을 가정한다면 과학 활동동일한 수준을 유지하고 정치적, 경제적, 사회적 구성 요소를 고려하면 매우 정확하게 예측할 수 있습니다. 과학적 발견, 프로토 타입 제작, 대량 생산에 기술 도입 및 사회에서 이를 기반으로 한 제품 사용 시작의 대략적인 시간입니다. 예를 들어, 무어의 법칙은 40년 이상 전자공학에 적용되어 왔습니다.

미래학자들은 사실을 바탕으로 다음과 같이 확인합니다. 과학 작품그리고 탄소나노튜브 합성을 위한 새로운 공정을 개발하려면 수십 년의 연구가 필요할 것이라는 추세입니다. 이러한 발견은 대략 2040년대에 일어날 것이며 기계 공학 및 건설 분야에 혁명을 일으킬 것입니다. 소형 나노튜브를 긴 실로 "엮는" 능력을 통해 인류는 고강도(강철보다 수백 배, 케블라보다 수십 배 더 강한) 재료를 얻게 됩니다. 다른 많은 응용 분야 외에도 우주 엘리베이터 건설 기술을 사용할 수 있게 될 것입니다. 130기가파스칼의 요구되는 강도가 달성되었다고 상상해 봅시다. 그러면 어떻게 될까요? 디자인 문제가 남아 있습니다. 예를 들어, 달과 태양의 중력과 태양풍의 돌풍으로 인해 발생하는 압력으로 인해 발생하는 케이블의 위험한 진동을 중화하는 방법을 결정해야 합니까?

중대한 법적, 재정적 어려움도 극복해야 합니다. 비행 안전, 항공 보안 및 사고나 테러 사건 발생 시 보상에 관한 새로운 국제 협약이 필요합니다. 보험 메커니즘의 운영은 문제가 발생할 경우 재난이 발생할 가능성이 있다는 점을 고려하면 특히 중요합니다. 그 사이에는 더 낮은 고도에서 기본 개념을 보여주기 위해 더 작은 실험 구조물이 건설될 것입니다. 이는 궁극적으로 이전보다 훨씬 더 큰 구조를 위한 길을 열어줄 것입니다.

15년간의 활발한 건설을 거쳐 2070년대 후반에는 지구 표면에서 정지 궤도까지 이어지는 우주 엘리베이터가 완전히 작동하게 될 것입니다. 건설 과정에는 우주선을 적도 위 35,786km 고도의 고정된 위치에 배치한 다음 지구를 향해 점차 확장되는 케이블을 낮추는 작업이 포함됩니다. 또한 이 지점에서 위쪽으로 47,000km 이상의 고도까지 배치될 예정이며, 여기서 물체는 지구의 중력의 영향을 받지 않습니다. 케이블을 팽팽하게 유지하기 위해 케이블의 바깥쪽 끝에 대형 균형추가 위치합니다. 우주 엘리베이터 지상국의 "기준점"과 위치는 프랑스령 기아나, 중앙아프리카, 스리랑카 또는 인도네시아일 가능성이 높습니다.

21세기 후반의 대부분의 교통 및 인프라와 마찬가지로 우주 엘리베이터도 시스템과 프로그램에 의해 제어됩니다. 그들은 구조물의 모든 부분을 지속적으로 모니터링하고 구조, 서비스 가능성 및 성능을 유지합니다. 필요한 경우 케이블 네트워크나 기타 엘리베이터 구성 요소의 문제를 해결하기 위해 로봇을 지상에서 우주의 차가운 진공까지 파견할 수 있습니다.

우주 엘리베이터는 기존 발사체보다 훨씬 저렴한 비용으로 사람과 화물을 궤도에 올려 우주 산업에 혁명을 일으킬 것입니다. 엘리베이터를 사용하면 하루에 1,000톤 이상의 자재를 공기가 없는 공간으로 들어 올릴 수 있습니다. 이는 세기 전환기에 건설하는 데 10년 이상이 걸렸던 국제 우주 정거장의 무게보다 더 많은 것입니다.

물론 이러한 상승은 로켓에 비해 꽤 많은 시간이 걸리지만 높은 과부하나 폭발물을 사용하지 않고도 더 원활하게 발생합니다. 대기권을 떠나 160~2000km 사이의 낮은 지구 궤도에 도달하면 화물이나 승객을 운반하는 선박이 지구 주위의 자체 궤도에 진입할 수 있습니다. 또한 정지 궤도(속도만 추가하면 됨)를 떠나 지구의 중력을 벗어나 더 멀리, 예를 들어 달이나 화성과 같은 더 먼 곳으로 계속 이동할 수 있습니다.

앞으로 수십 년 안에 추가 우주 엘리베이터가 지구 너머, 즉 달, 화성, 그리고 어쩌면 다른 곳에서도 운영될 것입니다. 태양계. 기술이 발전함에 따라 나노튜브의 가격은 기술적 위험과 함께 감소할 것입니다. 또한 달에서는 0.16g, 화성은 0.38g의 낮은 중력으로 인해 엘리베이터 건설이 더욱 편리해질 것입니다.

많은 사람들에게 2070년대는 너무 멀고 도달하기 어려운 것처럼 보임에도 불구하고, 과학의 기존 문제를 고려할 때 미래가 어떤 모습일지, 얼마나 빨리 올지는 여러분과 나에게 달려 있습니다.

기사를 준비해주신 Mikhail Astakhov와 미래학 프로젝트 "The Future Now"에 감사드립니다.

많은 사람들이 어떻게 하나님처럼 되려고 출발하여 하늘만큼 높은 탑을 세우기로 결정했는지에 대한 성경 이야기를 알고 있습니다. 여호와께서 진노하사 모든 백성으로 말하게 하시고 다른 언어들, 공사가 중단되었습니다.

이것이 사실인지 아닌지 말하기는 어렵지만, 수천 년이 지난 후 인류는 다시 슈퍼타워 건설 가능성에 대해 생각했습니다. 결국, 수만 킬로미터 높이의 구조물을 건설한다면 화물을 우주로 운반하는 비용을 거의 천 배나 줄일 수 있습니다! 공간은 영원히 더 이상 멀고 도달할 수 없는 것이 될 것입니다.

친애하는 공간

우주 엘리베이터의 개념은 러시아의 위대한 과학자 Konstantin Tsiolkovsky가 처음으로 고려했습니다. 그는 40,000km 높이의 탑을 건설하면 지구의 원심력이 구조물 전체를 지탱하여 구조물이 무너지는 것을 방지할 것이라고 가정했습니다.

언뜻보기에이 아이디어는 1 마일 떨어진 곳에 Manilovism 냄새가 나지만 논리적으로 생각해 봅시다. 오늘날 로켓 무게의 대부분은 지구의 중력을 극복하는 데 사용되는 연료입니다. 물론 이는 출시 가격에도 영향을 미칩니다. 1kg의 페이로드를 저궤도까지 운반하는 데 드는 비용은 약 20,000달러입니다.

따라서 친척들이 ISS의 우주비행사들에게 잼을 주면 확신할 수 있습니다. 이것은 세계에서 가장 비싼 별미입니다. 영국 여왕조차도 이것을 감당할 수 없습니다!

NASA는 셔틀 한 척을 발사하는 데 5억~7억 달러의 비용이 듭니다. 미국 경제의 문제로 인해 NASA 경영진은 우주 왕복선 프로그램을 종료하고 ISS에 화물을 전달하는 기능을 민간 기업에 아웃소싱할 수밖에 없었습니다.

경제적인 문제 외에도 정치적인 문제도 있습니다. 우크라이나 문제에 대한 의견 차이로 인해 서방 국가들은 러시아에 대해 여러 가지 제재와 제한을 도입했습니다. 불행하게도 그들은 우주 비행 분야의 협력에도 영향을 미쳤습니다. NASA는 미국 정부로부터 모든 것을 동결하라는 명령을 받았습니다. 공동 프로젝트, ISS를 제외하고. 이에 대해 드미트리 로고진 부총리는 러시아는 2020년 이후 ISS 프로젝트 참여에 관심이 없으며 달에 영구 과학 기지 구축, 화성 유인 비행 등 다른 목표와 목적으로 전환할 계획이라고 밝혔다.

아마도 러시아는 중국, 인도, 어쩌면 브라질과 함께 이 일을 할 것입니다. 주목해야 할 점은 러시아는 이미 프로젝트 작업을 완료할 예정이었고 서방의 제재로 인해 이 과정이 가속화되었다는 것입니다.

이러한 거창한 계획에도 불구하고, 지구 대기권 너머로 화물을 운송하는 보다 효율적이고 저렴한 방법이 개발되지 않는 한 모든 것이 종이에 남아 있을 수 있습니다. 동일한 ISS 건설에 총 1000억 달러 이상이 소요되었습니다! 달에 정거장을 만드는 데 얼마나 많은 "그린"이 필요할지 상상하기조차 무섭습니다.

우주 엘리베이터는 문제에 대한 완벽한 해결책이 될 수 있습니다. 엘리베이터가 작동되면 운송 비용은 킬로그램당 2달러로 줄어들 수 있습니다. 하지만 먼저 그것을 만드는 방법에 대해 철저히 고민해야 합니다.

안전마진

1959년 레닌그라드 엔지니어 유리 니콜라예비치 아르투타노프(Yuri Nikolaevich Artsutanov)는 최초의 우주 엘리베이터 작동 버전을 개발했습니다. 우리 행성의 중력으로 인해 아래에서 위로 엘리베이터를 만드는 것이 불가능하기 때문에 그는 그 반대인 위에서 아래로 만드는 것을 제안했습니다. 이를 위해 특수 위성은 지구 적도의 특정 지점 위에 위치해야 하는 정지 궤도(약 36,000km)로 발사되어야 했습니다. 그런 다음 위성에 케이블을 조립하기 시작하고 점차적으로 행성 표면을 향해 낮추십시오. 위성 자체도 평형추 역할을 하여 케이블을 지속적으로 팽팽하게 유지했습니다.

일반 대중은 1960년 Komsomolskaya Pravda가 Artsutanov와의 인터뷰를 발표했을 때 이 아이디어에 대해 자세히 알 수 있었습니다. 해당 인터뷰는 서구 언론에도 보도됐고, 이후 전 세계가 '엘리베이터 열풍'에 휩싸였다. 공상 과학 작가들은 특히 우주 엘리베이터가 없어서는 안될 미래의 장밋빛 그림을 그리는 데 열성적이었습니다.

엘리베이터 제작 가능성을 연구하는 모든 전문가들은 이 계획을 실행하는 데 가장 큰 장애물이 케이블에 사용할 만큼 튼튼한 재료가 부족하다는 점에 동의합니다. 계산에 따르면 이 가상 물질은 120기가파스칼의 전압을 견뎌야 합니다. 평방미터당 100,000kg이 넘습니다!

강철의 강도는 약 2기가파스칼이고, 특히 강한 옵션의 경우 최대 5기가파스칼이며, 석영 섬유의 경우 강도는 20을 약간 초과합니다. 이는 단순히 엄청나게 낮습니다. 상승 영원한 질문: 어떡하지? 나노기술을 개발합니다. 엘리베이터 케이블의 역할에 대한 가장 유망한 후보는 탄소 나노튜브일 수 있습니다. 계산에 따르면 강도는 최소 120기가파스칼보다 훨씬 높아야 합니다.

지금까지 가장 강한 샘플은 52기가파스칼의 응력을 견딜 수 있었지만 대부분의 다른 경우에는 30~50기가파스칼 범위에서 파열되었습니다. 오랜 연구와 실험 과정에서 서던 캘리포니아 대학의 전문가들은 전례 없는 결과를 얻었습니다. 그들의 튜브는 98.9기가파스칼의 전압을 견딜 수 있었습니다!

불행하게도 이는 일회성 성공에 그쳤고, 탄소나노튜브에는 또 다른 심각한 문제가 있다. 토리노 폴리테크닉 대학교(Polytechnic University of Turin)의 과학자인 니콜라스 푸그노(Nicolas Pugno)는 실망스러운 결론에 도달했습니다. 탄소 튜브 구조에서 원자 하나가 변위되어도 특정 영역의 강도가 30%까지 급격히 감소할 수 있는 것으로 나타났습니다. 그리고 지금까지 얻은 가장 긴 나노튜브 샘플이 2cm에 불과하다는 사실에도 불구하고 이 모든 것이 이루어졌습니다. 그리고 케이블 길이가 거의 40,000km에 달한다는 사실을 고려하면 작업이 불가능해 보입니다.

잔해와 폭풍

또 다른 매우 심각한 문제는 우주 쓰레기와 관련이 있습니다. 인류가 지구 근처 궤도에 정착했을 때 인류는 가장 좋아하는 오락 중 하나를 시작했습니다. 즉, 중요한 활동의 ​​산물로 주변 공간을 오염시키는 것입니다. 처음에 우리는 이것에 대해 특별히 걱정하지 않았습니다. “결국 공간은 끝이 없습니다! -우리는 추론했습니다. "종이 조각을 버리면 우주의 광대함을 탐험하게 될 것입니다!"

여기서 우리는 실수를 했습니다. 항공기의 모든 잔해와 잔해는 강력한 중력장에 포착되어 영원히 지구 주위를 돌게 될 운명입니다. 이러한 쓰레기 조각 중 하나가 케이블과 충돌하면 어떤 일이 일어날지 파악하는 데 엔지니어가 필요하지 않습니다. 따라서 전 세계 수천 명의 연구자들이 지구 근처의 매립지를 제거하는 문제를 놓고 고민하고 있습니다.

행성 표면의 엘리베이터 바닥 상황도 완전히 명확하지 않습니다. 처음에는 정지궤도 위성과의 동기화를 보장하기 위해 적도에 고정 기지를 만들 계획이었습니다. 그러나 허리케인 바람 및 기타 자연 재해로 인해 엘리베이터에 미치는 유해한 영향을 피할 수는 없습니다.

그러다가 폭풍을 "피"하고 조종할 수 있는 떠다니는 플랫폼에 베이스를 부착하는 아이디어가 떠올랐습니다. 그러나 이 경우 궤도와 플랫폼에 있는 조작자는 외과적 정밀도와 절대적인 동기화를 통해 모든 움직임을 수행해야 하며, 그렇지 않으면 전체 구조가 지옥에 갈 것입니다.

턱을 높이세요!

별을 향한 험난한 길에 놓여 있는 모든 어려움과 장애물에도 불구하고, 우리는 코를 매달아 의심할 여지 없이 이 독특한 프로젝트를 뒤로 미루어서는 안 됩니다. 우주엘리베이터는 사치품이 아니라 꼭 필요한 것입니다.

그것이 없으면 가까운 우주를 식민지화하는 것은 극도로 노동 집약적이고 비용이 많이 드는 노력이 될 것이며 수년이 걸릴 수 있습니다. 물론 반중력 기술을 개발하겠다는 제안도 있지만 이는 너무 먼 전망이며 엘리베이터는 향후 20~30년 안에 필요합니다.

엘리베이터는 짐을 들어올리고 내리는 것뿐만 아니라 '메가 슬링'으로서도 필요합니다. 그것의 도움으로 우주선을 가속하는 데 사용될 수 있는 귀중한 연료를 엄청난 양으로 소비하지 않고도 행성 간 공간으로 우주선을 발사하는 것이 가능합니다. 특히 흥미로운 것은 엘리베이터를 사용하여 지구에서 유해 폐기물을 청소한다는 아이디어입니다.

원자력 발전소에서 나온 사용후 연료를 밀봉된 캡슐에 넣은 다음 태양을 향해 직접 발사할 수 있다고 가정해 보겠습니다. 그런 경우에는 그러한 부거를 태우는 것이 매우 쉽습니다.

그러나 이상하게도 그러한 아이디어의 구현은 경제나 과학의 문제가 아니라 정치의 문제입니다. 우리는 진실을 직시해야 합니다. 세계 어느 나라도 그러한 상황에 독립적으로 대처할 수 없습니다. 장대한 프로젝트. 국제협력 없이는 할 수 없는 일이다.

우선 미국, 유럽연합, 중국, 일본, 인도, 브라질은 물론 러시아의 참여가 중요하다. 그러니 어떻게 보더라도 협상 테이블에 앉아서 평화의 파이프를 피워야 할 것입니다. 그러니 여러분, 함께 살자. 그러면 모든 것이 잘 될 것입니다!

아딜렛 우라이모프