В 1960 году аспирант ленинградского технологического института Юрий Арцутанов в одной из центральных газет опубликовал статью «В космос на электровозе» (pdf файл статьи можно посмотреть здесь), где впервые изложил концепт «космического лифта».

Его, на тот момент времени, просто фантастические идеи, строго базировались на теории К.Циолковского. Арцутанов писал: «Возьмите кусочек шпагата и привяжите к нему камень. Начните вращать эту примитивную пращу. Под влиянием центробежной силы камень будет стремиться оторваться и туго натянет веревку. Ну, а что будет если такую веревку укрепить на земном экваторе и, протянув далеко в Космос, «подвесить» на ней соответствующий груз? Расчеты показывают, что если «веревка» будет достаточно длинной, то центробежная сила будет так же растягивать ее, не давая упасть на землю, как камень растягивает наш шпагат. Ведь сила притяжения земли уменьшается пропорционально квадрату расстояния, а центробежная сила растет с увеличением расстояния. И уже на высоте около 42 тысяч километров центробежная сила оказывается равной силе тяжести. Вот, оказывается какой длинной должна быть наша «веревка» в Космос- 50, а то и 60 тысяч километров. Да и груз к ней должен быть подвешен не маленький- ведь центробежная сила должна уравновесить вес каната… Но если это будет сделано, возникнет прямая канатная дорога с Земли в Космос!». Юрий Арцутанов был первым, кто предложил идею кабельного космического транспорта для людей и грузов как альтернативу ракетам. Не так давно один из известных специалистов назвал статью Арцутанова «дедушкой» всех известных на сегодняшний день концепций «Космических Лифтов». (Веб сайт, посвященный международным проектами «Космический Лифт» Космический Лифт видео на YouTube

Наиболее сложной задачей в проекте строительства Космического Лифта является разработка материала для кабеля, который должен отвечать определенному соотношению прочность-вес, другими словами, материал должен обладать исключительной прочностью при небольшом весе для того, чтобы поддерживать связку до 100 тысяч километров длиной. Благодаря нанотехнологиям, такой материал стал возможен в форме углеродных нанотрубок (УНТ). Трудность на сегодня заключается в том, что эти УНТ должны быть сплетены в определенную форму типа, например, ленты, дающей возможность вертикального перемещения. Монтаж нанотрубок в коммерчески используемые волокна по-прежнему является одной из проблем, с которой работают исследователи, пытающиеся решить задачи практического использования изумительных свойств многих наноматериалов.

Прежде чем какая-либо конструкция кабеля будет изготовлена, невзирая на огромные и многочисленные трудности изготовления такого кабеля для Космического Лифта, инженерам придется разработать и изготовить модели и провести расчеты с тем, чтобы определить оптимальные размеры, форму и картину наиболее вероятных дефектов для такого кабеля.

Ученые из Политехнического Университета Турина (Politecnico di Torino), Италия разработали новый многомасштабный численный алгоритм расчета механики больших кабелей на основе УНТ. Группа, возглавляемая доктором Никола Пугно (Dr. Nicola Pugno) провела стохастическое моделирование тысяч вариантов с тем, чтобы провести первые расчетные тесты на эластичность макрокабелей на основе УНТ. Самым длинным был мегакабель, предназначенный для Космического Лифта, но группа просчитала и более реалистичные кабели меньшей длины. Др. Пугно, адъюнкт-профессор структурной механики, и его коллеги продемонстрировали компьютерную программу, которая может моделировать многокилометровые УНТ-кабели. Материал опубликован в журнале Small, Volume 4 Issue 8, Pages 1044 – 1052:
«Multiscale Stochastic Simulations for Tensile Testing of Nanotube-Based Macroscopic Cables». (Электронную версию можно найти здесь). Итальянские ученые промоделировали различные размеры, форму кабеля и зон концентрации дефектов. Расчеты показали, что максимальные нагрузки в кабеле не превышают ~ 10 Гпа, что значительно меньше теоретической прочности УНТ, которая имеет порядок 100 Гпа.

Схематическое изображение процесса моделирования макро кабеля для Космического Лифта (Space Elevator), использованного в данной работе. В целом, кабель включает в себя некое общее количество УНТ, определяемое как Nt=(NxNy)k. Для расчетов использовали оценочные величины: Nt=1023, k=5, Nx=40, Ny=1000.

Такой многоуровневый расчет не позволяет определить оптимальные параметры, поскольку вход на уровне 1 напрямую определялся из тестов на наноэлластичность УНТ, а выход соответственно принимался ко входу на уровне 2 и так далее до уровня 5, соответствующего всему мегакабелю. Таким образом, всего 5 иерархических уровней было использовано в диапазоне от УНТ до кабеля для Космического Лифта длиной 100 тысяч км.

Для численного моделирования прочности кабеля для Космического Лифта авторы использовали программу SE3, описанную ранее в работе «On the strength of the carbon nanotube-based space elevator cable: from nanomechanics to megamechanics» (Journal of Physics: Condensed Matter 2006, 18 S1971-S1990). Электронную версию можно найти здесь. По такой модели помимо порога разрушения для кабеля могут быть рассчитаны кривые нагрузка-напряжения, величины модуля Юнга, число и расположение отдельных волокон, величины исходящей кинетичекой энергии, энергия разрушения и т.д. Предварительное моделирование в той работе проводилось на небольшом куске кабеля- практически соответствующем уровню 1, принятому в обсуждаемой работе. Иерархическая архитектура и детали исследования были добавлены позднее. Многочисленные модели необходимы в такой сложной задаче, поскольку позволяют оценить масштабы, которые по величине в такой задаче перекрывают 15 порядков- от длины нанотрубки до длины самого кабеля Космического Лифта, кроме того многочисленные расчеты дают важную информацию о динамике масштабов по длине кабеля.

Что касается концепции конструкции предложенного кабеля, то результаты группы из Политехнического института выглядят весьма отрезвляющими. Результаты моделирования показывают, что расчетная прочность мегакабеля может быть много ниже, чем теоретическая прочность нанотрубок (~100 Гпа), ошибочно ранее учитывавшаяся в конструкциях Космического Лифта. Другим, важным результатом многоуровневого расчетного моделирования является идея о сужающейся форме кабеля, в которой соотношение между максимальным сечением- на геостационарной орбите и минимальным сечением- у поверхности Земли превышает 613, что существенно отличается от ранее предполагавшегося 1,9. В то же время, результаты, полученные группой, полностью подтвердили теоретические предсказания о критической роли, которую могут играть даже самые маленькие дефекты кабеля. Это не следует явственно из самих результатов моделирования, где авторы предположили, что соединения нанотрубок имеют безупречное качество, чего пока не существует в реалии. Соединения между нанотрубками, по-видимому, будут самыми слабыми звеньями конструкции, даже тогда, когда более совершенные нанотехнологии позволят получать сверхпрочные связки.