«Техника-молодежи» 1985 №10, с.58-61, обл-4

В связи с предстоящим массовым выходом людей в космос перед человечеством встанут транспортно-энергетические проблемы поистине космических масштабов. Особенно это касается энергоемких и трудных участков «небесное тело - орбита».

Перевозить на орбиту, очевидно, придется не только твердые грузы, но и различные жидкости. Земной опыт показывает, что наиболее эффективное средство их транспортировки - трубопровод. Но мыслимо ли протянуть трубопровод с поверхности на орбиту?

Это представляется вполне осуществимым. В основу космического трубопровода следует положить принцип сифона.

Как известно, обычный сифон образуется, когда концы трубки, наполненной жидкостью, погружают в два сосуда, уровень жидкости в которых различен. Под действием собственного веса она переливается с более высокого уровни на более низкий, преодолевая «потенциальный барьер» перемещаясь на одном из участков против силы тяжести.

Что произойдет, если один из концов трубы поместить в закрытый резервуар с жидкостью на поверхности вращающегося небесного тела, а второй удалить в космос, выше стационарной орбиты? Полная сила, действующая вдоль такой трубы, равна сумме направленной вниз силы притяжения и центробежной силы инерции, устремленной вверх. На стационарной орбите эти силы взаимно компенсируются, здесь царит невесомость. Ниже стационарной орбиты преобладает гравитационная сила, а выше центробежная, причем последняя растет но мере удаления от небесного тела.

Назовем характерной длиной (ХД) такую высоту столба жидкости в нашем космическом сифоне, при которой действующие на него гравитационная и центробежная силы взаимно уравновешиваются Очевидно, что если высота столба жидкости будет больше ХД, то центробежная сила превысит гравитационную, и этот избыток потянет жидкость вверх. Преодолевая (как и в обычном сифоне) «потенциальный барьер», она будет идти «самотоком» с более низкого уровня на более высокий.

Поскольку длина космического сифона, очевидно, никак не меньше высоты заключенного в нем столба жидкости, то аналогичный избыток центробежной силы над гравитационной будет действовать и на саму трубу, поддерживая ее вертикально в растянутом состоянии. Высота трубы сифона рассчитывается так, чтобы движущая сила обеспечивала ламинарному (то есть без завихрений) потоку жидкости максимально возможную скорость подъема. Превышение критической скорости нежелательно, так как течение станет турбулентным (с завихрениями) и вероятность разрыва столба резко увеличится.

Жидкость, поступающая в верхний резервуар-накопитель, может частично или полностью превращаться в лед (например, за счет естественного остывания), а затем сбрасываться на нужные орбиты.

Космические сифоны естественно подразделить на цилиндрические и фигурные. У цилиндрического внутренний радиус трубы постоянен. Главное его достоинство — простота устройства и изготовления. Однако растягивающее напряжение в столбе жидкости такого сифона может достичь неприемлемо большого значения. В лучшем случае цилиндрические сифоны смогут работать лишь на малых планетах (астероидах) и мелких спутниках больших планет.

Например, расчеты показывают, что для крупного астероида Весты ХД сифона составляет 280 км. Труба радиусом 10 см сможет обеспечить хорошую пропускную способность (230 т в сутки), но наибольшее растягивающее напряжение в водяном столбе довольно значительно — почти 8 атмосфер.

Резко снизить его позволит фигурный космический сифон, внутренний радиус трубы которого увеличивается от концов к точке равенства гравитационной и центробежной сил. В таком сифоне растягивающее напряжение будет почти постоянным, причем гораздо меньшим, чем в трубе цилиндрического сифона. Так, для Весты оно упадет до 1 атмосферы (внутренний диаметр «вздутия» превысит при этом 4,5 м).

Чтобы сама труба космического сифона была равнонапряженной, площадь поперечного сечения ее стенки должна возрастать по известному закону от концов к точке равенства сил. Трубу можно изготовить из высокопрочной стали, но лучше использовать более легкие и прочные синтетические материалы (кевлар, различные композиты с углеродными волокнами).

Заманчиво использовать движение жидкости в трубе космического сифона для получения электроэнергии. На основном участке электрогенераторы ставить рискованно — это может привести к разрыву столба жидкости и прекращению работы сифона. Лучше закрепить на верхнем резервуаре дополнительную трубу с турбогенераторами внутри ее и еще одним резервуаром на конце. На этом участке суммарная сила направлена вверх, и под ее действием жидкость будет просто падать из нижнего резервуара в верхний, вращая по пути турбогенераторы. Чем длиннее труба, тем большее число турбогенераторов можно в ней разместить и тем больше энергии будет получено. Так, при общей высоте «вестианской» трубы 10 тыс. км и при прежнем расходе воды (230 т в сутки) может сниматься мощность до 3700 МВт. Такой сифон будет мощной транспортно-энергетической системой, работающей за счет даровой, экологически чистой и практически неограниченной кинетической энергии собственного вращения небесного тела.

Жидкость, поднимающаяся по космическому сифону (даже если он сделан из материала с хорошими теплоизолирующими свойствами), постепенно остывает и может замерзнуть. Конечно, потери на излучение в какой-то мере скомпенсирует тепло, выделяющееся от трения внутри движущейся жидкости. Но главную роль здесь сыграют электронагреватели — провода, проложенные вдоль сифона. Может случиться, что перед транспортировкой жидкость придется подогревать или размораживать. И опять без электронагревателей не обойтись. Для питания всего этого да и другого электрооборудования ничто не мешает частично использовать энергию, вырабатываемую турбогенераторами.

Поскольку любой космический сифон способен работать лишь на сравнительно небольшом небесном теле, окруженном космическим вакуумом, то он представляет собой герметически закрытую систему, в которой впуск и выпуск жидкости происходит по шлюзовому принципу. Ее (как и лед перед расплавлением) будут вводить в нижний резервуар сифона с помощью специального шлюза.

Наполнение эластичных баллонов жидкостью на вершине космического сифона (если по каким-то причинам предпочтительна отправка ее потребителю именно в жидком виде) может происходить следующим образом. Особое автоматическое устройство сначала надевает «горло» баллона на патрубок выходного отверстия из резервуара-накопителя, затем снимает, причем при смене баллонов отверстие герметически закрывается клапаном, а «горло» баллона перехватывается зажимом. Переливание жидкости из накопителя в баллон происходит самотеком под действием направленной вверх центробежной силы

Конечно, заманчиво было бы установить космический сифон на планетах-гигантах, почти целиком состоящих из водорода и гелия, которые в основном находятся в жидком состоянии. При этом якорь сифона с заборным устройством плавал бы как поплавок на поверхности или в верхних слоях огромного шара-океана.

Если бы такое предприятие удалось, жидкие водород и гелий с Юпитера и Сатурна пошли бы самотеком на орбиты для последующего использования в космических поселениях. А большой космический сифон, закрепленный на дне земного океана в районе экватора, смог бы подавать на орбиты любые количества воды...

Оценки, однако, показывают: планетный сифон невозможен — слишком мала удельная прочность жидкостей на разрыв. Все же и здесь дело не кажется совершенно безнадежным — на помощь могут прийти турбонасосы.

Итак, рассмотрим еще одну схему вертикального трубопровода-электростанции, который позволит транспортировать жидкости на орбиты (с одновременным получением энергии) с самых больших астероидов и некоторых планет, то есть окажется работоспособным в условиях, при которых использование обычного космического сифона затруднено или невозможно.

Такое устройство состоит из длинной равнонапряженной трубы с постоянным внутренним радиусом, толщина стенки которой возрастает от концов к точке, находящейся на стационарной орбите, а также трех резервуаров и системы электротурбонасосов и турбогенераторов, установленных внутри трубы.

Один (нижний) резервуар в виде обширного водоема разместится у основания трубопровода, на поверхности небесного тела, второй (средний) — на стационарной орбите, третий (верхний) на вершине трубопровода. На нижнем участке трубопровода расположится цепочка электротурбонасосов, на верхнем — серии турбогенераторов. Насосы и генераторы связаны между собой вертикальными силовыми тросами в единую самоуравновешенную систему. Можно, конечно, обойтись и без тросов, просто закрепив насосы и генераторы на стенках трубы, но это увеличило бы нагрузку на нее. Вдоль трубы или тросов пройдет электропроводка, связывающая генераторы с насосами и потребителями энергии.

Электротурбонасосы и турбогенераторы, по существу, имеют одинаковую конструкцию и взаимно обратимы — если генератор подключить к электрической сети, то он заработает как электромотор, а турбина станет насосом.

Работает вся система так. Цепочка электротурбонасосов последовательно поднимает жидкость из нижнего резервуара в средний, на стационарную орбиту. Это самый тяжелый и очень энергоемкий этап работы. Зато дальше энергии тратить не надо.

Из среднего резервуара (который пребывает в невесомости и может поэтому быть весьма обширным) жидкость самотеком под действием направленной вверх центробежной силы хлынет (в виде водопада) в верхний резервуар, вращая по пути турбогенераторы.

Чем длиннее этот участок, тем, очевидно, с большей высоты падает вверх жидкость и тем большую мощность можно снять с турбогенераторов. И вполне реальна ситуация, когда вырабатываемая энергия намного превысит ту, что потребляется за го же время насосами. Следовательно, при достаточно большой общей длине трубопровода система не только будет на «самообслуживании», полностью обеспечивать себя энергией, но и сможет снабжать ею других потребителей. И все это за счет даровой и практически неограниченной кинетической энергии собственного вращения планеты или астероида.

Лишь на начальном (пусковом) этапе насосам придется работать за счет постороннего источника. С вершины трубопровода, как и в случае обычного космического сифона, жидкость будет сбрасываться в сферических баллонах или в виде глыб льда и переходить на гелиоцентрические орбиты, где найдет применение в орбитальных поселениях, на заводах и в оранжереях.

Космические сифоны и трубопроводы, совершенно аналогичные рассмотренным, можно установить и на многих синхронных спутниках планет-гигантов (тех, что постоянно обращены к своей планете одной стороной). Если трубу закрепить на полушарии спутника, обращенном к планете, она протянется к планете, а если на противоположном полушарии, то от планеты. В первом случае космический сифон или трубопровод назовем прямым, во втором — обратным.

Если высота прямой или обратной транспортно-энергетической системы больше соответствующей ХД (которых теперь две — прямая и обратная), то достаточно прочная на разрыв жидкость будет самотеком подниматься по трубе под действием избыточной силы. Льды или сферические баллоны с жидкостью, сброшенные с прямой системы, перейдут на околопланетные, а с обратной на гелиоцентрические орбиты. Работать же системы будут, как уже говорилось, за счет даровой и экологически чистой механической энергии пары «планета спутник», которая практически неограниченна.

Роль расстояния до стационарной орбиты в рассматриваемых системах выполняет расстояние до соответствующих точек Лагранжа — внутренней и внешней (то есть точек равновесия третьего малого тела во вращающейся паре «планета спутник», где царствует невесомость). Космический сифон или трубопровод может быть построен, например, на двойной планете Плутон-Харон (см. 4-ю стр. обложки). На схеме условно показано, как изгибается труба под действием поперечных кориолисовых сил, возникающих во время движения по ней жидкости.

На каких же небесных телах можно надеяться обнаружить (или создать) обширные водоемы, нужные для эффективной работы рассмотренных систем? Исследования астрономов, а также полеты АМС «Пионер» и «Вояджер» показали что на многих спутниках Юпитера и Сатурна имеются огромные массы водяного льда, а также твердой углекислоты, аммиака, метана. Частично они пребывают в жидком состоянии, заполняя обширные подповерхностные полости. Например, весьма вероятно, что на Европе (один из спутников Юпитера) под толстым слоем льда скрывается обширный водный океан, а на Ио есть подпочвенные моря жидкой серы.

Согласно гипотезе английского ученого Д. Стивенсона на многих спутниках Сатурна (Тефии, Дионе, Рее, Япете) могут извергаться вулканы, выбрасывающие жидкую водоаммиачную смесь (температура плавления — минус 95°С). Американские специалисты допускают существование на Титане озер (или даже морей) из жидкого азота или метана. Любопытно — так считают многие астрохимики, что вода или лед могут скрываться даже в недрах нашей Луны.

А что можно сказать в этой связи относительно астероидов, состав которых пока еще почти не изучен? Из-за малой массы даже крупнейшие из них практически лишены атмосферы: существование открытых водоемов в этих условиях исключено. Однако наблюдения, выполненные американским астрофизиком Л. Лейбовским, показывают, что поверхность Цереры (самый большой астероид) покрывают глины, содержащие около 10% воды, а на Палладе имеются водосодержащие силикаты. Кроме того, некоторые астероиды, в том числе и крупные, могут в значительной степени или даже целиком состоять из водяного льда, подобно ряду спутников планет-гигантов. Эти льды можно будет периодически загружать в нижний резервуар космического сифона, а затем расплавлять с помощью энергии, вырабатываемой его турбогенераторами. Лишь для пуска системы потребуется дополнительная энергетическая установка, работающая, например, на солнечной энергии. Она расплавит первую порцию льда и закачает полученную воду (либо другую жидкость) в трубу сифона.

Заметим, что жидкость в закрытом резервуаре находится под давлением своего насыщенного пара. По мере подъема жидкости по трубе ее запасы в резервуаре будут пополняться за счет расплавления льда или переработки минералов, где она содержится в связанном виде. Именно на крупных астероидах и некоторых синхронных спутниках заработают, видимо, первые космические сифоны и трубопроводы-электростанции.

Главной трудностью на пути реализации подобных систем является низкая разрывная прочность жидкостей в обычных (земных) условиях. Однако экспериментально установлено, что вода, хорошо очищенная от так называемых кавитационных зародышей (твердых частиц, мелких пузырьков газа), выдерживает разрывное напряжение до 280 атмосфер. Теоретическая же разрывная прочность идеально чистой и однородной воды — 1500 атмосфер. Так что резервы для повышения этой характеристики воды (да и других жидкостей) есть.

Рассмотрим, к примеру, большой, состоящий почти целиком из водяного льда спутник Сатурна Тефию (диаметр — около 1050 км). ХД прямого космического сифона равен для Тефии 5210 км, обратного — 5290 км. Лед спутника, по-видимому, весьма чист, и, стало быть, полученная из него вода способна выдержать большие растягивающие напряжения. Если в качестве оценки разрывной прочности взять, скажем, 56 атмосфер, то для реализации космического сифона (прямого или обратного) на Тефии диаметр трубы должен возрастать от ее концов до точки Лагранжа (внутренней или внешней) всего лишь в 100 раз. А это уже вполне приемлемо практически.