Орбитальный лифт. Исследовательская работа "космический лифт". Причем тут нанотехнологии

Каждый, кто хотя бы раз топил печку, паровое или буржуйку, прекрасно знает о том, как быстро прогорают дрова. Даже сегодня на многих дачах есть печи на твердом топливе. Для того чтобы поддерживать постоянную температуру, такие печки следует заправлять регулярно. Однако, существует один хитрый метод, который заставит поленья гореть на 30-50 процентов дольше, при этом давая столько же тепла.

Материалы, которые понадобятся для изготовления

Для того чтобы своими руками создать «бесконечное» полено, нужно сначала подготовить для работы инструменты, а также лист металла для заваривания торцов трубы, болт М12, уголок стальной 10х10 мм – 20 см, гайку М12, а также трубу металлическую толстостенную d76 мм. Последнюю следует подобрать под длину обычного, среднего чурбака для печи. Вот собственно и все. Если нужные предметы имеются в наличии, можно начинать рабочий процесс. Делаем следующее.

Изготовление

Берем трубу диаметром 76 мм и обрезаем ее под длину чурбака. Если у вас в печке большая камера для сгорания (и в нее можно загрузить много дров), то рекомендуется использовать трубу как можно толще. В самом процессе изготовления приспособления нет ничего сложного. Сначала из приготовленного листового металла нужно вырезать два круга по диаметру трубы и герметично заварить ее торцы. Следует приварить накрест устойчивые ножки.

После этого делаем заправочное отверстие, просверлив дырку верхней части трубки и приварив гайку. Приготовленный заранее болт накручивается на нее и становится крышкой. Рекомендуется приварить к головке металлический прут, чтобы было можно поворачивать ее без использования ключа.

Как пользоваться

Пользоваться «вечным» поленом еще проще, чем его создавать. Сначала выкручиваем крышку и наливаем внутрь воду, полностью заполняя аппарат. Чтобы процесс пошел сразу, можно заливать кипяток. «Вечное» полено помещается вглубь печки и обкладывается там дровами по бокам и сверху. После этого остается только зажечь огонь.

Видеоматериал

В продолжение темы рассказ о том, и не только.

Многие люди, желая уменьшить свои расходы, ищут в интернете идеи, которые помогут им этого достичь. Одна из них – вечное полено, которое, позволяет уменьшить расход двор наполовину! При этом в отапливаемом помещении будет так же тепло, как и раньше.

Хотя пишут о полене – это не древесина, а отрезок металлической трубы. На нем с обеих концов приварены заглушки, а сверху устроено отверстие, перекрываемое вентилем. Отверстие служит для наполнения трубы водой – делается это на весь объем.

На «полене» сверху присутствует несколько отверстий небольшого диаметра, расположенных вдоль трубы. Последняя, чтобы вода при наклонах не выплескивалась через отверстия, имеет ножки по краям – самые простые из поперечно приваренных отрезков уголков.
Изобретатель, который придумал «полено», утверждает, что такое приспособление работает долго и позволяет экономить на отоплении. Оно, размещенное в печке, позволяет ей работать эффективнее.

Вначале трубу заполняют, через отверстие с вентилем, водой. Лучше горячей, что обеспечит быстрее общий нагрев «полена», образование насыщенного пара. Затем его помещают в самый низ дровяной печки, которую заполняют обычными дровами.

Наличие «полена» среди дров увеличивают время их горения в среднем на 40%, что приводит к экономии топлива. Кроме того, пар, образуемый из воды при нагревании и выделяемый из «полена» в топку печки через ряд открытых маленьких отверстий, обладает большей (в 2 раза) теплоемкостью, чем окружающий воздух. Последнее приводит к лучшему прогреванию печки, а от нее воздуха в помещении.

Изобретатель указывает, что эффективность «полена» доказана им экспериментально. Хотя, если учесть, что законы физики, в частности, сохранения энергии, еще не отменены, согласиться с ним сложно. Получить дополнительную энергию, в принципе, можно. Но это обязательно приведет к потере такой же ее доли в другом месте.

Существуют и иные безумные и не очень идеи, которые экономят топливо в печах. Однако все они могут оказаться неэффективными, если не соблюдать элементарные правила, помогающие сохранять тепло. Они такие: печь должна быть правильно сложена или изготовлена; необходимо закрыть все лишние отверстия, щели, через которые уходит тепло, вовремя очищать поддувало, вытяжную трубу; для отопления использовать дрова из тех твердых пород деревьев, у которых больше теплоотдача.

Для отопления я использую обыкновенную печку, дрова в которой прогорают очень быстро, поэтому при интенсивном выработке тепла его значительная часть уходит в дымоход. Как следствие для поддержания нормального уровня температуры приходится проводить загрузку топлива постоянно. Для решения данной проблемы я начал применять «вечное полено», которое помогает экономить 30-50 процентов дров. Без него у меня одна загрузка топки прогорает за 1 час 10 мин, а с ним на 30 мин дольше.

Материалы для изготовления

Чтобы сделать вечное полено потребуется:

• труба металлическая толстостенная d76 мм, длиной под обычный чурбак для печки;
• лист металла для заваривания торцов трубы;
• гайка М12;
• болт М12;
• уголок стальной 10х10 мм – 20 см.

Процесс изготовления вечного полена для экономии

Я использовал трубу диаметром 76 мм. Обрезал ее по длине под стандартное полено, которое укладываю в печку. Применяемый диаметр влияет на емкость заправки. Если камера сгорания печки высокая, и в нее можно загрузить много дров, то и трубу нужно использовать потолще.

По изготовлению нет ничего сложного. Нужно вырезать из листового металла два круга по диаметру трубы и герметично заварить ее торцы. После этого режу стальной уголок, получив 2 отрезка по 10 см. Варю их накрест к трубе по ее краям, получив устойчивые ножки. Далее просто высверлил сверлом на 12 мм отверстие сверху трубки. Приложил к нему гайку и приварил, получив заправочную горловину. После этого в нее можно закручивать болт, выполняющий роль крышки. К его головке наварил маленький прутик, чтобы его можно было выкручивать без ключа. По всему периметру с интервалом в 4 см сделал ряд отверстий сверлом на 3 мм.

Строгих критериев по габаритам применяемой трубы нет, поскольку все зависит от параметров печки, а точнее количество дров, которые можно в нее загрузить. Хочу обратить внимание, что нужно использовать толстый металл, чтобы он не прогорел. Также нельзя делать мало отверстий, а тем более применять тонкие сверла на 1 или 2 мм, поскольку пар под давлением - это не шутки. Если при испытании полено издает свист от сильного давления при выходе пара, значит отверстий мало, поэтому его нужно срочно извлечь. После этого придется рассверлить отверстия до большего диаметра. Но и делать их слишком крупными не нужно, поскольку внутрь будет попадать пепел, а мыть заваренную трубу неудобно. Лучше побольше мелких отверстий, чем несколько крупных.

Как пользоваться

Чтобы воспользоваться вечным поленом, нужно выкрутить крышку и залить внутрь трубы воду, полностью ее заполнив. Я стараюсь использовать почти кипяток, чтобы процесс начался сразу.

После заправки закрываю заливную горловину болтом.

Вечное полено ставлю на дно печки и закладываю его по бокам и сверху дровами.

После этого разжигаю огонь и плотно закрываю печку.

Почему это работает

Использование вечного полена увеличивает продолжительность и качество горения одной загрузки дров. Огонь и жар могут держаться до 50 процентов дольше, что зависит от конструкции печки. Лично у меня горение продлевается до 30 процентов. У моих знакомых с другими параметрами печки наблюдается экономия от 15 процентов и выше, что объясняется неподходящими параметрами габаритов самого полена под их топку.

Такой результат достигаются благодаря тому, что удельная теплоемкость водяного пара выше, чем у воздуха. Это физический факт, который давно доказан. У воздуха этот показатель составляет 1 (кДж/(кг·К), а у пара доходит до 2 (кДж/(кг·К).
Также хочу отметить, что вечное полено подходит не для всех видов дровяных печек. Оно идеально совместимо с обыкновенными буржуйками с прямым дымоходом. Если кирпичная печь имеет канальный дымоход в стене, то в определенных случаях существует вероятность конденсации несгоревшего пара. При желании пользоваться вечным поленом при такой конструкции печки советую делать осмотр ревизионных люков дымохода на предмет появления липкой сажи. Если ее нет, то полено подходит и можно его спокойно применять.

Одно из серьезных препятствий к реализации многих звездных проектов состоит в том, что из-за громадных размеров и веса корабли невозможно построить на Земле. Некоторые ученые предлагают собирать их в открытом космосœе, где благодаря невесомости астронавты смогут легко поднимать и ворочать невероятно тяжелые предметы. Но сегодня критики справедливо указывают на запредельную стоимость космической сборки. К примеру, для полной сборки Международной космической станции потребуется около 50 запусков шаттла, а ее стоимость с учетом этих полетов приближается к 100 млрд долл. Это самый дорогой научный проект в истории, но строительство в открытом космосœе межзвездного космического парусника или корабля с прямоточной воронкой обошлось бы во много раз дороже.

Но, как любил говорить писатель-фантаст Роберт Хайнлайн, в случае если вы можете подняться над Землей на 160 км, вы уже на полпути к любой точке Солнечной системы. Это потому, что при любом запуске первые 160 км, когда ракета стремится вырваться из пут земного притяжения, ʼʼсъедаютʼʼ львиную долю стоимости. После этого корабль, можно сказать, уже в состоянии добраться хоть до Плутона, хоть дальше.

Один из способов кардинально сократить в будущем стоимость полетов - построить космический лифт. Идея забраться на небо по веревке не нова - взять хотя бы сказку ʼʼДжек и бобовое зернышкоʼʼ; сказка сказкой, но если вывести конец веревки в космос, идея вполне могла бы воплотиться в реальность. В этом случае центробежной силы вращения Земли оказалось бы достаточно, чтобы нейтрализовать силу тяжести, и веревка никогда не упала бы на землю. Она волшебным образом поднималась бы вертикально вверх и исчезала в облаках.

(Представьте себе шарик, который вы крутите на веревочке. Кажется, что на шарик не действует сила тяжести; дело в том, что центробежная сила толкает его прочь от центра вращения. Точно так же очень длинная веревка может висеть в воздухе благодаря вращению Земли.) Держать веревку не потребуется, вращения Земли будет достаточно. Теоретически человек мог бы залезть по такой веревке и подняться прямо в космос. Иногда мы просим студентов-физиков рассчитать натяжение такой веревки. Несложно показать, что такого натяжения не выдержит даже стальной трос; именно в связи с этим долгое время считалось, что космический лифт реализовать невозможно.

Первым из ученых, кто всœерьез заинтересовался проблемой космического лифта͵ стал русский ученый-провидец Константин Циолковский. В 1895 ᴦ. под впечатлением от Эйфелœевой башни он вообразил башню, которая бы поднималась прямо в космическое пространство и соединяла Землю с парящим в космосœе ʼʼзвездным замкомʼʼ. Строить ее предполагалось снизу вверх, начиная с Земли, откуда инженеры должны были бы медленно возводить к небесам космический лифт.

В 1957 ᴦ. русский ученый Юрий Арцутанов предложил новое решение: строить космический лифт обратным порядком, сверху вниз, начиная из космоса. Автор представил себе спутник на геостационарной орбите на расстоянии 36 000 км от Земли - с Земли он при этом будет казаться неподвижным; с этого спутника предлагалось опустить на Землю трос, а затем закрепить его в нижней точке. Проблема в том, что трос для космического лифта должен был бы выдерживать натяжение примерно в 60-100 ГПа. Сталь рвется при натяжении примерно в 2 ГПа, что лишает идею всякого смысла.

Более широкая аудитория смогла познакомиться с идеей космического лифта позже; в 1979 ᴦ. вышел роман Артура Кларка ʼʼФонтаны раяʼʼ, а в 1982 ᴦ. - роман Роберта Хайнлайна ʼʼПятницаʼʼ. Но поскольку прогресс в данном направлении застопорился, о ней забыли.

Ситуация резко изменилась, когда химики изобрели углеродные нанотрубки. Интерес к ним резко возрос после публикации в 1991 ᴦ. работы Сумио Иидзимы из компании Nippon Electric. (Надо сказать, что о существовании углеродных нано-трубок было известно еще с 1950-х гᴦ., но долгое время на них не обращали внимания.) Нанотрубки гораздо прочнее, но при этом гораздо легче стальных тросов. Строго говоря, по прочности они даже превосходят уровень, необходимый для космического лифта. По мнению ученых, волокно из углеродных нанотрубок должно выдерживать давление 120 ГПа, что заметно выше крайне важно го минимума. После этого открытия попытки создания космического лифта возобновились с новой силой.

Б 1999 ᴦ. было опубликовано серьезное исследование NASA; в нем рассматривался космический лифт в виде ленты шириной примерно один метр и длиной около 47 000 км, способный доставить на орбиту вокруг Земли полезный груз весом около 15 т. Реализация подобного проекта мгновенно и полностью изменила бы экономическую сторону космических путешествий. Стоимость доставки грузов на орбиту разом уменьшилась бы в 10 000 раз; такую перемену иначе как революционной не назовешь.

Сегодня доставка одного фунта груза на околоземную орбиту стоит не меньше 10 000 долл. Так, каждый полет шаттла обходится примерно в 700 млн долл. Космический лифт сбил бы стоимость доставки до 1 долл. за фунт. Такое радикальное удешевление космической программы могло бы полностью изменить наши взгляды на космические путешествия. Простым нажатием кнопки можно было бы запустить лифт и подняться в открытый космос за сумму, соответствующую по стоимости, скажем, билету на самолет.

Но, прежде чем строить космический лифт, на котором можно будет без труда подняться в небеса, нам предстоит преодолеть очень серьезные препятствия. Сегодня самое длинное волокно из углеродных нанотрубок, полученное в лаборатории, по длинœе не превосходит 15 мм. Для космического лифта потребуются тросы из нанотрубок длиной в тысячи километров. Конечно, с научной точки зрения это чисто техническая проблема, но решить ее крайне важно, а она может оказаться упрямой и сложной. Тем не менее многие ученые убеждены, что на овладение технологией производства длинных тросов из углеродных нанотрубок нам хватит нескольких десятилетий.

Вторая проблема состоит по сути в том, что из-за микроскопических нарушений структуры углеродных нанотрубок получение длинных тросов может оказаться вообще проблематичным. По оценке Никола Пуньо из Туринского политехнического института͵ если хотя бы один атом в углеродной нанотрубке окажется не на своем месте, прочность трубки может сразу уменьшиться на 30%. В целом дефекты на атомном уровне могут лишить трос из нанотрубок 70% прочности; при этом допустимая нагрузка окажется ниже того минимума гигапаскалей, без которых невозможно построить космический лифт.

Стремясь подстегнуть интерес частных предпринимателœей к разработке космического лифта͵ NASA объявило два отдельных конкурса. (За образец был взят конкурс Ansari X-Prize с призом в 10 млн долл. Конкурс успешно подогрел интерес предприимчивых инвесторов к созданию коммерческих ракет, способных поднимать пассажиров к самой границе космического пространства; объявленную премию получил в 2004 ᴦ. корабль SpaceShipOne.\"7d Конкурсы NASA носят названия Beam Power Challenge и Tether Challenge.

Чтобы выиграть первый из них, команда исследователœей должна создать механическое устройство, способное поднять груз весом не менее 25 кг (включая собственный вес) вверх по тросу (подвешенному, скажем, на стрелœе подъемного крана) со скоростью 1 м/с на высоту 50 м. Возможно, задача кажется несложной, но проблема в том, что это устройство не должно использовать топливо, аккумуляторы или электрический кабель. Вместо этого робот-подъемник должен получать питание от солнечных батарей, солнечных рефлекторов, лазеров или микроволнового излучения, т. е. из тех источников энергии, которыми удобно пользоваться в космосœе.

Чтобы победить в конкурсе Tether Challenge, команда должна представить двухметровые куски троса весом не более двух граммов каждый; при этом такой трос должен выдерживать нагрузку на 50% большую, чем лучший образец предыдущего года. Цель этого конкурса -стимулировать исследования по разработке сверхлегких материалов, достаточно прочных, чтобы их можно было протянуть на 100 000 км в космос. Победителœей ждут премии размером 150 000,40 000 и 10 000 долл. (Чтобы подчеркнуть сложность задачи, в 2005 ᴦ. - первом году конкурса - премия не была присуждена никому.)

Безусловно, работающий космический лифт способен резко изменить космическую программу, но и у него есть свои недостатки. Так, траектория движения спутников по околоземной орбите постоянно сдвигается относительно Земли (потому что Земля под ними вращается). Это означает, что со временем любой из спутников может столкнуться с космическим лифтом на скорости 8 км/с; этого будет более чем достаточно, чтобы порвать трос. Для предотвращения подобной катастрофы в будущем придется либо предусматривать на каждом спутнике небольшие ракеты, которые дали бы ему возможность обойти лифт, либо снабдить сам трос небольшими ракетами, чтобы он мог уходить с траектории спутников.

Вместе с тем, проблемой могут стать столкновения с микрометеоритами - ведь космический лифт поднимется далеко за пределы земной атмосферы, которая в большинстве случаев защищает нас от метеоров. Поскольку предсказать подобные столкновения невозможно, космический лифт придется снабдить дополнительной защитой и, возможно, даже отказоустойчивыми резервными системами. Проблему могут представлять собой и такие атмосферные явления, как ураганы, приливные волны и штормы.

Идея создания космического лифта упоминалась в научно-фантастических произведениях британского писателя Артура Чарльза Кларка еще в 1979 году. Он писал в своих романах, что абсолютно уверен в том, что однажды такой лифт будет построен.

Но первым человеком, кому пришла в голову такая странная идея, был русский инженер и основоположник российской космонавтики Константин Эдуардович Циолковский. Вдохновленный постройкой Эйфелевой башни, он предложил построить еще более высокую башню несколько тысяч километров в высоту. Циолковский предлагал заселить космическое пространство с использованием орбитальных станций, выдвинул идеи космического лифта и поездов на воздушной подушке.

Космический лифт – это звучит фантастично. Но люди в ХIХ веке также не смогли бы поверить в появление таких технических достижений, как самолет или космический корабль. Строительная корпорация «Обаяси» в Японии уже занимается разработкой технической документации для подготовки строительства космического лифта. Стоимость проекта составляет 12 млрд долларов. Строительство объекта будет завершено в 2050 году.

Потенциальная польза от применения космических лифтов достаточно высока. Все дело в том, что преодоление земного притяжения с помощью реактивной тяги нецелесообразно. Например, чтобы запустить «Шаттл» всего один раз, требуется потратить 500 млн долларов, поэтому запуски традиционных ракет-носителей станут экономически невыгодными.

Космический лифт состоит из трех основных частей: основание, трос и противовес.

Массивная платформа в океане, представляющая основание лифта, будет удерживать один конец троса из углеродистого волокна, на конце которого расположится противовес – тяжелый объект, который будет играть роль спутника, вращающегося вслед за нашей планетой и удерживаемый на орбите за счет центробежной силы. Именно по этому тросу, протянутому в небо на высоту до ста тысяч километров, и будут подниматься в космос грузы.

Чтобы доставить килограмм груза в космос с помощью ракеты, уходит до 15 тысяч долларов. Японцы подсчитали, что для доставки на орбиту груза с таким же весом они потратят… 100 долларов

Космический лифт – это тщательно проработанная идея. Например, подсчитано, что трос нельзя делать из стали. Он просто порвется под тяжестью своего веса. Материал должен быть в 90 раз прочнее и в 10 раз легче стали.

В качестве тросов инженеры собирались использовать углеродные нанотрубки, но выяснилось, что из такого материала невозможно сплести тросы большой длины.

Совсем недавно появилось изобретение, которое может, наконец, сделать фантазии о космическом лифте реальностью. Команда исследователей во главе с Джоном Баддингом из университета Пенсильвании создала ультратонкие нанонити из микроскопических алмазов, которые по прочности существенно превосходят нанотрубки и полимерные волокна.

Токийское небесное дерево — телевизионная башня в районе Сумида, самая высокая среди телебашен мира.

Руководитель научно-исследовательского подразделения компании «Обаяси» Йоджи Ишикава считает, что ноу-хау университета Пенсильвании действительно способно приблизить человечество к космосу. Он говорит, что новый материал, разумеется, должен пройти ряд испытаний на прочность, но, похоже, это именно то, что так долго искали он и его коллеги.

Компания «Обаяси» уже построила скоростные лифты для телевизионной башни высотой около 635 метров

НАСА сейчас также вплотную занимается секретной разработкой космолифта. В перспективе появится возможность доставки на орбиту частей гигантских межпланетных кораблей и их сборки в космосе. Такой проект можно реализовать только при помощи космолифта.

Но самое главное – государство, который первым построит космический лифт, на долгие столетия монополизирует сферу космических грузоперевозок.

Иллюстрация к научно – фантастическому роману Кима Стэнли Робинсона «Зеленый Марс» с изображением
космического лифта, установленного на Марсе.