Стаціонарні бази людей у Космосі. Як це може бути?

Сучасні ракети для виводу вантажу на орбіту та польотів у Космос поступово наближаються до межі можливостей. Для обслуговування численних майбутніх місій на орбіті Землі та за її межами знадобляться апарати, які зможуть виводити на орбіту великі за масою та габаритами вантажі. А між тим можливості ракет не безмежні. Існує ліміт на виведення пристрою на орбіту за масою і габаритами встановлений законами фізики. Тобто, настане момент, коли ми досягнемо критичної межі, що не зможемо вивести більшу за граничну масу вантажу. Люди намагатимуться віддалити цей момент використовуючи для конструкції космічні апарати з максимально можливих легких матеріалів, використовувати більш ефективне паливо, дробити і фрагментувати вантаж, збільшуючи кількість запусків. Поступово це призведе до засмічення навколоземного простору космічним сміттям, яке не лише ускладнить майбутні польоти в Космос, але й призведе до отруєння атмосфери як продуктами згорання нового більш токсичного палива, так і наночастинками металу від згораючого в атмосфері космічного сміття. А там може бути і алюміній, титан, берилій, бор, літій які можуть бути токсичними і хронічне отруєння ними протягом кількох століть може призвести до вимирання всього живого. Як альтернативу зараз пропонують дуже перспективні атомні двигуни, але вони можуть працювати лише у космосі, і бажано не нижче геостаціонарної орбіти, щоб уникнути падіння на Землю радіоактивних уламків у випадку аварії.

Орбітальний ліфт та орбітальна станція

Чи є альтернатива ракетам? На мій погляд є, хоча на початковому етапі для реалізації задуму знадобляться ракети. Щоб виводити вантажі на орбіту вже не раз пропонували проект ліфту у Космос. Було кілька проектів. На мій погляд, щоб реалізувати проект потрібна велика масивна платформа на геостаціонарній орбіті, на якій можна розмістити не лише орбітальну станцію, але й підприємства, орбітальний космодром. Платформа повинна висіти на однією точкою планети над її екватором, обертаючись навколо Землі кожних 24 години. Починати будівництво слід з виводу на геостаціонарну орбіту підприємств. На них буде виготовлено і канати з майбутнього ліфта і каркас, стіни і обшивку майбутньої станції. Епоха ракет триватиме на мій погляд близько двох століть і цей час необхідно використати для будівництва цілої мережі таких станцій, яких на орбіті може бути до 6 (але не більше). Починати слід з будівництва металевого каркасу майбутньої станції, яка повинна мати сферичну форму і діаметр близько кілометра. Основу каркасу станції повинна складати металева арматура з трьох скріплених між собою взаємно перпендикулярних конструкцій круглої форми, посилених вторинними конструкціями. Для початку будівництва доведеться використовувати ресурси планети, поступово все більше використовуючи ресурси космосу. Ми не можемо безмежно існувати виключно за рахунок Землі, тим більше досліджувати Космос. Адже за сотні років ми ризикуємо навіть частково вивезти на тисячах космічних кораблів у космічний простір атмосферу планети, та й запас води на Землі також не безмежний. Ми тепер будемо у Космосі не гостями, ми туди йдемо назавжди. Тому слід все більше використовувати для будівництва навколоземні астероїди, які час від часу пролітають поблизу Землі. Дистанційно керовані зонди з атомними двигунами зможуть відловлювати невеликі космічні камені, сповільнювати їх і доставляти на місце будівництва. Там з них можна видобувати метали, вуглець, воду, деякі газоподібні речовини і використовувати для будівництва. Силікатні речовини можна буде використати для виробництва блоків для будівництва захисних стін станції. Також для будівництва станції можна використовувати космічне сміття, одночасно очистивши від нього навколоземний простір. Ззовні станція повинна бути вкрита шестикутними панелями з білого молочного кварцу назовні і посилена шарами з металу щоб захистити людей від радіації, яка на геостаціонарній орбіті буде значно сильнішою.

Станція повинна знаходитись на геостаціонарній орбіті, на відстані приблизно 35 тисяч кілометрів від рівня моря. Матиме сферичну форму. Перша станція може мати розмір близько 1 км в діаметрі. Бажано щоб усі орбітальні станції були однакового розміру. Для створення штучної гравітації ідентичної земній, сфера повинна обертатися. Житлові модулі для науковців повинні розміщуватися в екваторіальній частині сфери, під захистом конструкцій основної арматури. Також люди будуть надійно захищені від радіації та різних небезпечних випромінювань від Сонця та космосу товстими стінами з металу, кременистих і силікатних блоків. Станція буде постійно повернута одним полюсом до Землі, обертатися навколо нерухомої серцевини, крізь яку вільно проходитимуть у відкритий космос спеціальними каналами канати ліфта. Канати виготовлені з карбонового нановолокна, одним кінцем вони будуть прикріплюватися до Землі, а інший вільно проходячи крізь серцевину станції звисатиме у відкритий Космос на відстань до 100 тисяч кілометрів. Карбонове нановолокно це графітові нанотрубки, надзвичайно легкі та міцні, нитка діаметром 1 мм нановолокна може витримати вантаж вагою понад 20 тон. Таким же нановолокном можна зміцнювати металеві конструкції станції. Як альтернативу, більш рідкісну та вартісну можна використати схожі нанотрубки з бор-азотного волокна, які можна використати як ізоляцію графітових канатів через різницю потенціалів між Землею та верхніми шарами атмосфери, бо графітове волокно є провідником. Різницю потенціалів можна використати для живлення ліфта безкоштовною енергією???

Структура графітової нанотрубки

Мікроскопічний графеновий лист згорнутий у нанотрубку. Найміцніший і найлегший матеріал з відомих людству. Катати сплетені з таких нанотрубок будуть здатні витримувати навантаження які будуть на орбітальному ліфті. Лише нановолокно з бор-азотних трубок, яке має схожу структуру може конкурувати з вуглецевими нанотрубками за міцністю.

До висоти орбітальної сфери на канат діятиме поступово зменшуючись земна гравітація. Вище орбітальної станції відцентрова сила обертання Землі. На відстані 100 тисяч км відцентрова сила натягне канати ліфта мов струни. Тепер на станцію з поверхні планети можна буде підіймати вантажі і людей. На поверхні Землі канати ліфта буде рухати велика масивна платформа, а на іншому кінці у космосі платформа менш масивна платформа стабілізуватиме канати ліфта і рухатиме їх. Оскільки орбіта станції не буде ідеально коловою, станція буде все одно то наближатися до Землі то віддалятися, тому канати ліфта повинні вільно проходити крізь серцевину станції. Люди підніматимуться на орбіту і спускатимуться з неї з допомогою платформи з кабіною, яка фіксуватиметься під час руху на канатах, а по прибуттю на станцію на самій поверхні станції не фіксуючись на канатах. Шлюз дозволить потрапити з кабіни у сферу, а потім перехідна камера дозволить потрапити з нерухомої серцевини на рухому частину станції.

 Космодром на самій станції дозволить запускати кораблі і АМС не використовуючи палива.

Оскільки канати ліфта прикріплюватимуться до Землі в екваторіальній частині, де відсутня сила Коріоліса, тут не буде ураганів. Як стартові майданчики для ліфта можна використати космодроми збудовані як на континентах, так і на масивних морських платформах і навіть штучних островах. На планеті можна розмістити 6 таких ліфтів, рівномірно розмістивши їх уздовж екватора Землі на відстані в 60° один від одного. Це дозволить взагалі відмовитись від ракет-носіїв і виводити в Космос досить великі і габаритні вантажі. Більші ніж це можна зробити з допомогою ракет. Також на орбітальних базах можна розмістити найбільш шкідливі виробництва і не отруювати атмосферу, гідросферу та літосферу планети. На цих самих орбітальних сферах можна буде розмістити передавачі і приймачі зв’язку, станції космічної навігації, наукове обладнання для дослідження космосу. Кожна станція матиме спеціальні маневрові двигуни, якими при необхідності можна буде коригувати висоту і кут орбіти станції відносно екватора, орієнтацію сфери станції у просторі відносно поверхні Землі, швидкість руху станції по орбіті, швидкість обертання навколо осі. Орбітальні станції можуть стати воротами людства до освоєння космосу, і альтернативної програми її освоєння, відклавши на майбутнє переселення на Марс чи Місяць.

Підсумуємо причини, через які людство у майбутньому повинно відмовитися від ракет-носіїв на користь орбітального ліфта.

1. Обмежена маса об’єкта, яку можуть вивести на орбіту ракети. Маса об’єкта мала порівняно з корисною масою яку може вона нести. Закони фізики накладають ліміт на верхню межу маси і розмірів ракети, яку ми можемо збудувати.
2. Орбітальне сміття, уламки ступенів ракет, супутників, тощо, яке накопичуватиметься в навколоземному просторі і ускладнюватиме польоти в космос і становитиме небезпеку при падінні на Землю.
3. Отруєння атмосфери продуктами згоряння ракетного палива. Адже неодмінно настане момент, що заради ефективності, замість воднево-кисневих двигунів доведеться використовувати двигуни з більш токсичним паливом.
4. Отруєння атмосфери наночастинками металів від згорілого в атмосфері космічного сміття. Вони становитимуть небезпеку для всіх живих організмів, а деякі метали, такі як берилій ще й надзвичайно токсичні і перші симптоми отруєння берилієм проявляються через роки після потрапляння частинок цього металу в організм.
5. Орбітальний ліфт не засмічуватиме навколоземний простір, не отруюватиме атмосферу, гідросферу та літосферу. Дасть можливість виводити на орбіту дуже габаритні та важкі вантажі.
6. Необхідність людству мінімізувати ресурси планети, які будуть використовуватися: повітря, води, металів, неметалів, а в майбутньому можливість існувати у Космосі без прив’язки до Землі, використовуючи виключно позаземні ресурси.
7. Орбітальні геостаціонарні станції дозволять запускати кораблі з атомними двигунами прямо у космос не долаючи силу гравітації і атмосферу планети, використовуючи силу обертання самої станції. Працюючі атомні реактори не будуть наближатися до Землі ближче геостаціонарної орбіти, доки освоєння термоядерної енергії у майбутньому дозволить створити надійні іонні та фотонні двигуни. А також стануть основою для нового кроку освоєння космосу – будівництва квазіорбітальних великих баз в точках Лагранжа.

Квазіорбітальні станції.

Альтернативою переселенню на Марс може стати будівництво і створення квазіорбітальних станцій. Це наступний крок людства у освоєнні космосу. Мова йде про створення квазіорбітальних станцій в точках Лагранжа. Точках де станції можуть рухатись синхронно відносно планети Земля не роблячи обороту навколо планети. Таких точок планета Земля має п’ять. Чотири відносно ближні, дві більш дальні і остання на протилежному кінці орбіти Землі.

Точки Лагранжа.

Ці станції не будуть прив’язані до Землі канатами ліфта. Вони не матимуть нерухомої серцевини. Оскільки вже буде досвід будівництва станцій на геостаціонарній орбіті Землі, буде вже накопичений досвід будівництва, технології будуть значно більш розвиненими, можна буде приступити до створення значно більших за розмірами станцій в точках Лагранжа. Відстань від Землі буде значно більшою і з розвитком технологій для будівництва можна буде відловлювати не камені в кілька метрів за розмірами і масою в кілька тон, а значно більші, в сотні метрів і згодом навіть кілька кілометрів за розміром. Це астероїди з групи Амури, та інші групи навколоземних астероїдів. В точках L1 і L2 можна розмістити станції діаметром від 10 км. В точках L4 і L5 станції діаметром від 20 км, а в точці L3 від 30 км. Тут зможуть вже комфортно проживати не сотні людей, як на орбітальних геостаціонарних станціях, а тисячі і навіть десятки тисяч, будучи захищеними надійними стінами від примх Сонця і космосу, а обертання сфер навколо осі створить звичну для людей земну гравітацію.

Переселення на Марс зараз, як це пропонує Ілон Маск це погана ідея. По перше люди на тривалому шляху до Марса і на самій планеті будуть не захищеними від радіації, тривале перебування у Космосі призведе до атрофії м’язів, остеопорозу кісток і після висадки на Марс навіть в два з половиною рази менша гравітація Марса стане проблемою для таких людей. Їм буде важко пересуватися. З часом у переселенців через малу гравітацію планети розвинеться атрофія м’язів і остеопороз. Люди вже не зможуть повернутися на Землю. Квазіорбітальні станції будуть знаходитися в полі зору з планети Земля і будівництво можна буде вести дистанційно, не піддаючи ризику людей. Переселенці на квазіорбітальних станціях будуть проживати в умовах штучної гравітації ідентичної земній, захищені від радіації, магнітних полів, високоенергетичних частинок, а всередині сфери навіть за межами житлових модулів може бути створена атмосфера, не обов’язково азотно-киснева, а з суміші різних газів які були в наявності на астероїдах. Крім азоту може бути аргон, гелій, і навіть якщо буде відсутній кисень в такій атмосфері людина зможе перебувати без скафандра з одним лише дихальним кисневим апаратом. Коли технології, умови та рівень розвитку медицини дозволять збудувати станцію в точці L3 без ризику для здоров’я людей, людство вже буде готове і до освоєння Марса та супутників різних планет-гігантів, поясу астероїдів.

Також квазіорбітальні станції можна побудувати в точках Лагранжа в Системі Земля – Місяць.

Ліфт на Місяць

Теоретично ліфти до поверхні місяця можна побудувати від двох найближчих сферичних станцій в точках Лагранжа поблизу супутника нашої планети.

Орбітальні та квазіорбітальні станції навколо Марса.

Тоді відкриються можливості будувати орбітальні станції навколо Марса, використавши для цього матеріал супутника Марса Фобоса. Фобос треба розібрати, оскільки він знаходиться у процесі повільного падіння на Марс, перебуваючи вже нижче рівня стаціонарної орбіти і загрожує переселенцям у майбутньому, а також перебуваючи на низькій орбіті унеможливлює будівництво орбітальних ліфтів. Матеріал використати для будівництва орбітальних і квазіорбітальних станцій, а також орбітальних ліфтів, які будуть меншими через меншу гравітацію Марса. Деймос можна буде віддалити від поверхні Марса, поступово нарощуючи масу за рахунок астероїдів, яких поблизу Марса буде більше. Потім є точки Лагранжа навколо орбіти Марса, де можна збудувати квазіорбітальні станції. Люди зможуть мешкати на орбітальних і квазіорбітальних станціях, в умовах нормальної земної гравітації, захищені від радіації не ризикуючи отримати атрофію мєєязів, деградацію кісткової тканини та інших патологій які принесе мала гравітація або невагомість. На поверхні Марса люди зможуть працювати періодично вахтовим методом, доки медицина в майбутньому нарешті зможе подолати всі проблеми  зі здоров’ям людини пов’язані з малою гравітацією.

А далі слідує пояс астероїдів, де великі запаси речовини всієї таблиці періодичної системи. Тут можна будувати велику кількість станцій на орбітах резонансних з орбітою Юпітера. Форма їх може бути не лише сферичною, але і у форм тора, і станції стануть біль просторими і там зможуть вже перебувати сотні тисяч людей.

Причини, через які треба відкласти заселення Марса, на користь квазіорбітальних станцій.

1. На станціях можна створити штучну гравітацію на відміну від Марса. Це дозволить уникнути атрофії м’язів та остеопорозу у людей, та іншим захворюванням, які може спричинити мала гравітація або її відсутність.
2. На станціях люди будуть захищені від сонячної та космічної радіації на відміну від поверхні Марса.

Термін реалізації проекту будівництва орбітальних ліфтів та орбітальних станцій протягом 100 років. Ще близько 100 років знадобиться для створення квазіорбітальних станції на орбіті Землі. Ще 100 років на будівництво станцій навколо Марса. Шлях на Марс після цього можна вважати прокладеним.