Экономия сырья, энергии, земли, труда и финансов — минимум в 10 раз
21-ый век станет веком экономии ресурсов — энергетических, сырьевых, минеральных, пространственных, финансовых, трудовых, продовольственных и др. И это имеет прямое отношение к транспортным коммуникациям. Они должны быть только на «втором» уровне — над поверхностью земли, уже давным-давно занятой флорой и фауной, где ТРАНСНЕТ будет вне конкуренции.
В 20-ом веке население планеты выросло в 4 раза, а ВВП — в 20, что увеличило спрос на некоторые природные ресурсы на 2.000%. При этом мир вступил в эпоху дорогих ресурсов — эпоха низких цен осталась в прошлом. Рост среднего класса на 3 миллиарда человек до 2035 г. резко увеличит спрос на новые ресурсы, а поиск новых источников сырья, энергии, воды и пищи затруднён и дорог. Скачок спроса произойдет именно в тот момент, когда поиск новых источников ресурсов затруднён или дорог, и нас ждёт «ресурсная революция». Дефицит или рост цен на один тип ресурсов может перекинуться на другие. Попытка удовлетворить растущий спрос пропорциональным ростом производства потребует в будущем дополнительных инвестиций до $10 триллионов в год и несёт для цивилизации серьёзные риски.
ТРАНСНЕТ сможет дать человечеству двойную экономию.
Во-первых, грузовые струнные трассы дадут дешёвый доступ к недоступным в настоящее время минеральным ресурсам, размещённым, например, высоко в горах, в тундре и на шельфе Северного Ледовитого океана, в глубине обширных пустынь, в глубине материков, например, в Австралии. Доступные минеральные ресурсы позволят мировой экономике и дальше динамично развиваться.
Во-вторых, грузопассажирские струнные дороги позволят, на порядок дешевле и на порядок с меньшими затратами сырьевых, энергетических и иных ресурсов, создать разветвлённую мировую сеть транспортно-инфраструктурных коммуникаций, совмещённых с информационными и энергетическими сетями. При этом, в течение 21-го века, практически весь транспорт перейдёт на «второй» уровень, оставив «первый» уровень природе и людям. Это позволит повысить коммуникативность земной цивилизации — по данным ООН потребность людей в поездках за ближайшие 50 лет должна увеличиться в 5—6 раз, при значительном увеличении скорости и дальности этих перемещений.
Особенность любой высокоскоростной путевой структуры — требуемая, из условий комфорта и безопасности, чрезвычайно высокая ровность пути, обусловленная не только строительными неровностями конструкций, но и статическими и динамическими деформациями пролётных строений под движущейся с высокой скоростью нагрузкой. Например, при длине пролёта 50 м и скорости движения 500 км/ч, максимальные неровности, с учётом строительных (технологических) погрешностей и динамических деформаций пролётного строения под нагрузкой, не должны превышать 10 мм (или 1/5.000 от длины пролёта).
Спроектированная высокоскоростная рельсо-струнная эстакада удовлетворяет перечисленным требованиям. Ажурная путевая структура, размещённая над поверхностью земли на «втором» уровне, имеет низкую материалоёмкость и, соответственно, низкий расход минеральных ресурсов на своё сооружение: стали и стальных конструкций, цветных металлов, железобетона, бетона, цемента, арматуры, щебня, песка, грунта и т. д. При этом, благодаря неразрезной конструкции струнного рельса (на всём протяжении он не имеет деформационных и других швов, так как сварен в одну плеть), несущая способность поддерживающих опор повышается на порядок. А поскольку таких опор большинство в конструкции дороги «второго уровня» — на одну анкерную опору приходится порядка 100 промежуточных опор,— соответственно, на порядок снижается материалоёмкость и стоимость опор.
Расход конструкционных материалов на 1 км протяжённости двухколейной предварительно напряжённой — растянутой — высокоскоростной (500 км/ч) рельсо-струнной эстакады составляет: мостовая сталь — до 600 т/км (из них: путевая структура — до 350 т/км; опоры — анкерные и промежуточные — до 250 т/км), железобетон — до 900 т/км (из них: путевая структура — до 300 т/км; опоры — анкерные и промежуточные — до 600 т/км). Гарантированная долговечность такой транспортной эстакады составит 100 лет. Её аналог был построен на полигоне первого поколения струнного транспорта в 2001 г. (г. Озёры Московской области, Россия) с расходом стали на эстакаду — до 120 кг/м на один путь.
Для сравнения приводим основные данные по высокоскоростной железной дороге в эстакадном исполнении, построенной по японским технологиям в 2000—2007 г.г. на острове Тайвань для движения со скоростью до 350 км/ч. Основные ресурсные характеристики этой дороги, имеющей протяжённость 345 км и стоимость, по разным оценкам, от $15 до $18 миллиардов (или $43,5—$52,2 млн./км в ценах 2005 г.; в ценах 2014 г. эти цифры должны возрасти примерно в 2 раза):
- длина пролётов 35 м;
- фундаменты сверхмассивных железобетонных опор установлены на четырёх буронабивных железобетонных сваях диаметром 2 м и длиной до 60 м каждая (масса только свайного фундамента под каждой опорой может достигать 1.800 тонн, или более 50 т на погонный метр трассы!);
- мощные пролётные строения в виде двух предварительно напряжённых сборных железобетонных балок шириной 6 м, высотой 3 м и массой по 800 тонн каждая на пролёте;
- на несущие балки уложена железобетонная предварительно напряжённая плита шириной 13 м и массой 500 т на пролёте;
- на плите размещена рельсошпальная решётка двухпутной высокоскоростной железной дороги.
Расход конструкционных материалов на такую эстакаду составляет (с учётом рельсошпальной решётки): высокопрочная сталь (преимущественно арматура в железобетонных конструкциях) — 11.400 т/км, железобетон — 109.000 т/км. Примерно столь же материалоёмкой, как и описанная, является эстакада для поездов на магнитной подушке «Трансрапид» разработки компании «Сименс».
Таким образом, условная экономия основных строительных и конструкционных материалов при использовании RSW-технологий составляет: сталь — 10.800 т/км, железобетон — 108.100 т/км (или 45.000 м3/км). Таким образом, на высокоскоростной сети дорог ТРАНСНЕТ протяжённостью 25 миллионов километров, которая будет построена в 21-ом веке на планете, условная экономия минеральных ресурсов составит: сталь — 270 миллиардов тонн, железобетон — 2,7 триллиона тонн(или 1.125 миллиардов кубических метров).
К сведению.
В настоящее время в мире выплавляется 1,5 миллиарда тонн стали в год. Для дополнительного получения сэкономленных 270 млрд. тонн стали и проката из неё было бы дополнительно выброшено в окружающую среду (в миллиардах тонн): пыли — более 32, сернистого ангидрида — более 17, оксида углерода — более 38, оксида азота — более 3,8, сточных вод — более 50 триллионов кубометров (50 тысяч кубокилометров). Для выплавки такого количества стали в течение 50 лет не понадобится 540 крупных металлургических предприятий производительностью по 10 млн.т/год, с большим количеством цехов и вспомогательных служб, которые заняли бы территорию в 500 тыс. га. При этом не были бы дополнительно изъяты земельные угодья, нарушенные горными работами, занятые отвалами, золо- и шламонакопителями площадью более 62,5 млн. га (или более 625 тыс. км2 — почти 3 площади такой страны, как Великобритания). Не было бы добыто — в карьерах и шахтах — более 1,2 триллионов тонн различного исчерпаемого сырья (в том числе коксующегося угля), после переработки которого только в твёрдые и экологически опасные отходы не попали бы более 120 миллиардов тонн различных экологически опасных и канцерогенных веществ.
Ещё больше потребовалось бы ресурсов (в том числе энергетических, земельных, людских, финансовых и др.) и не меньше появилось бы глобальных экологических проблем — при производстве и укладке в конструкции дополнительных 1,125 триллионов кубометров (2,7 триллионов тонн) железобетона, сэкономленного при использовании RSW-технологий на 25 млн. км дорог эстакадного типа.
При этом необходимо особо отметить преимущества эстакады, как опорной конструкции для высокоскоростной путевой структуры, перед традиционной земляной насыпью (выемкой), а также — щебёночно-песчаной подушкой и рельсошпальной решёткой высокоскоростной железной дороги.
При строительстве рельсо-струнной эстакады точечный объём земляных работ будет снижен более чем в 100 раз в сравнении с прокладкой такой же дороги в линейной насыпи. Поэтому ландшафту и биогеоценозу в зоне строительства не будет нанесён какой-либо ущерб и не потребуется рекультивация земель. Это особенно важно при прокладке трассы по вечномёрзлым и слабым грунтам, которые не способны выдержать дополнительную нагрузку от насыпи, не только весовую, но и тепловую в летний период времени.
Кроме того, не только сама земляная насыпь, но и подстилающие грунты на традиционных высокоскоростных дорогах должны быть плотными (дополнительно уплотнены примерно на 10%), что превращают такую дорогу в протяжённую низконапорную плотину, перерезающую истоки рек, движение грунтовых и поверхностных, в том числе, паводковых, вод. Такая чрезвычайно материалоёмкая насыпь, местами достигающая высоты 10 м и более (или порядка 500 тыс. тонн грунта на каждый километр протяжённости дороги), нарушает миграцию животных, как домашних, так и диких, угнетает природное биоразнообразие, препятствует перемещению сельскохозяйственной и иной техники. При этом, из-за опасности выхода на путь крупных животных (лось, корова, дикий кабан), что привело бы к крушению и сходу с рельсов высокоскоростного подвижного состава, такую насыпь железнодорожники вынуждены ограждать. Причём, стоимость только такого традиционного ограждения, а также сопутствующей насыпи традиционной транспортной инфраструктуры (водопропускные сооружения, мосты, путепроводы, многоуровневые развязки и др.), будут значительно дороже всей рельсо-струнной эстакады такой же протяжённости.
Ещё одно из преимуществ RSW-технологий — экономия на ресурсах при массовом производстве подвижного состава. Например, современный самолёт на одного пассажира перевозит (причём поднимая на высоту 10—12 км, тратя на это огромное дополнительное количество энергии) до одной тонны своей конструкции и топлива. При этом одно посадочное место в современном аэробусе стоит до $500—600 тыс., а весь самолётный парк для выполнения такой же транспортной работы, что и сеть ТРАНСНЕТ протяжённостью 25 млн. км, обошёлся бы заказчику в дополнительные $75 триллионов. За этой избыточной стоимостью стоят нерационально использованные, причём ограниченные (а значит не использованные для иных более разумных целей) сырьевые, трудовые, в том числе социальные, и финансовые ресурсы нашей цивилизации.
Современные железнодорожные вагоны топливо не возят, зато «железа» в них — до 1,8 тонн на одного пассажира купейного вагона, а с учётом веса электровоза — до 2,5 т/пасс., что крайне неэффективно с ресурсной точки зрения. При этом каждое пассажирское место на железной дороге обходится также недёшево, причём чем выше расчётная скорость движения — тем дороже. Например, в скоростных поездах «Сапсан», закупленных Россией в Германии и развивающих скорость всего 250 км/ч, каждое сидячее место обошлось налогоплательщику почти в $200 тыс.
Юнибус же, даже высокоскоростной (500 км/час), конструктивно не сложнее современного легкового автомобиля (микроавтобуса) и имеет примерно те же массо-габаритные и стоимостные характеристики: «дешёвого железа» — до 250—300 кг/пасс., стоимость (при серийном производстве) — до $20—25 тыс./пасс.
К сведению.
Экономия инвестиционных затрат на строительство одного километра рельсо-струнной эстакады, в сравнении с эстакадой высокоскоростной железной дороги и для поездов на магнитной подушке, составит около $60 млн./км — с учётом неизбежного удорожания традиционных транспортных эстакад в сложных природно-климатических условиях прохождения большинства трасс. Если во всём мире будет построено хотя 25 млн. км высокоскоростных междугородных и международных трасс эстакадного типа (к настоящему времени на планете построено более 30 млн. км автомобильных и более 1 млн. км железных дорог), то человечество сэкономит на создании сети высокоскоростных дорог 1,5 квадриллиона (или $1.500 триллионов)финансовых ресурсов. Эта экономия будет за счёт экономии невозобновляемых ресурсов — природных (руда, нефть, уголь и др.) и трудовых (не будет выполнен ненужный, неэффективный, гигантский труд не только на самом строительстве, но и при добыче руды и нефти, выплавке и прокате стали, приготовлении бетона, а также по их транспортировке на сотни и тысячи километров и т.п.).
Земляные насыпи железных (в том числе высокоскоростных) и автомобильных дорог накрывают (отнимают у землепользователя) с учётом инфраструктуры минимум 4 га почв на каждом километре протяжённости. При строительстве сети дорог ТРАНСНЕТ протяжённостью 25 млн. км это спасёт от уничтожения порядка 1.000.000 квадратных километров почв — такова площадь четырёх Великобританий. При усреднённой стоимости изымаемой под строительство земли $1 млн./га, стоимость спасённой земли составит $100 триллионов, при стоимости $10 млн./га (земля постоянно дорожает и к концу века может в среднем стоить и дороже) — $1.000 триллионов (или $1 квадриллион). Спасена будет не просто земля, а плодородная почва. Ведь самый ценный минеральный ресурс на планете, безусловно, — это живая почва, которая, собственно, и даёт всем нам жизнь; при этом гумус в почве создавался живыми организмами в течение миллионов лет не для того, чтобы его «закатали в асфальт».
Космизм
Планета — для жизни, космос — для индустриальных технологий
Человечество не имеет опыта индустриального освоения околоземного космического пространства. Да и какой должна быть космическая индустрия? Каковы её функции, каковы объёмы и виды вырабатываемой продукции? Где, в основном, будет потребляться эта продукция — в космосе или на Земле? Вопросов может быть задано множество. И на них невозможно дать однозначные ответы. Всё будет зависеть от тех конкретных путей развития, какие изберёт наша земная цивилизация, вставшая на технократический путь развития тысячи лет назад. При этом мы, ныне живущие, не выбирали в прошлом именно этот путь интеллектуального развития цивилизации и нам не дано этот вектор изменить в будущем.
Первобытные технологи и их соплеменники, выделывающие шкуры и готовившие пищу на костре, в 20 лет умирали от рака лёгких. Пока не догадались вынести эти технологии за пределы своего дома — пещеры.
Прошли десятки тысяч лет. И вот современные технологи и их соплеменники до исступления спорят, в каком из углов комнат нашего общего дома, под названием «Биосфера», построить атомную электростанцию, а в каком — хоронить на тысячи лет её радиоактивные отходы; где плавить миллиарды тонн стали и добывать ещё больше угля, нефти и природного газа, а затем — где и как их сжигать? Где выбрасывать углекислый газ и как «безопасно» разрушать крышу своего дома — озоновый слой? И получать за это даже Нобелевские премии. Да и вообще, как «экологически чисто» нагадить не только в углах, но и в самом центре этих комнат, не спрашивая мнения большинства жильцов общего дома — не только стран «третьего мира», но и тварей бессловесных, под названием «Флора» и «Фауна».
Выход один. Необходимо проявить смекалку и мужество первобытного человека — вынести экологически опасные производства за пределы своего биосферного дома, то есть в ближний космос. Там идеальные условия для самых современных технологий — невесомость и глубокий вакуум. Там круглогодично, днём и ночью, вот уже 5 миллиардов лет работает природный экологически чистый термоядерный реактор под названием «Солнце», который без всяких побочных эффектов типа «Чернобыль» обеспечит внеземную индустрию энергией на миллионы лет последующего развития. Там бесконечные сырьевые, энергетические, технологические и пространственные ресурсы.
Да и экологических проблем с биосферных позиций в космосе не будет — мёртвые индустриальные отходы не смогут изменить экологию мёртвой же среды. Даже взрывы сверхновых звёзд — что трудно себе вообразить — там обычное дело. Да и что в космосе может изменить завод, выплавляющий какой-то миллиард тонн пеностали в год, которая будет легче воды, но будет прочнее обычной стали и прослужит человечеству на Земле без следов коррозии сотни лет? Или завод, производящий несколько тысяч тонн уникальных лекарств, которые могут быть получены только в условиях невесомости?
Объективные причины должны в будущем переместить сферу материального производства почти целиком в космос. В то же время человечество, как биологический вид живых организмов на нашей планете, является продуктом нескольких миллиардов лет эволюции в земных условиях. Мы идеально подогнаны к земной силе тяжести, земной атмосфере, магнитному и электрическому полю Земли, земным продуктам питания и ещё многому другому земному, о чём даже не подозреваем, но без чего не сможем существовать не только сегодня, но и в обозримом будущем. Нигде в нашей огромной Вселенной для нас, землян, не может быть более подходящих условий, чем на нашей прекрасной голубой планете. Поэтому основной потребитель продукции космической индустрии, а это миллиарды человек, будет находиться на Земле. Именно по этой причине грузопоток на трассе «Земля—Орбита—Земля» должен составлять миллионы, а со временем — миллиарды тонн грузов в год.
К сведению.
Безусловно, освоив космическое пространство, как новую среду обитания с условиями, принципиально отличающимися от земных, часть человечества, пожелавшая жить в космосе, со временем преобразует себя под эти условия. Правда, в отличие от рыбы, в доисторические времена вышедшей на сушу, что, в итоге привело к появлению на планете и человека, космический человек будет эволюционировать сознательно. Но это слишком отдалённая перспектива, которая не поддаётся разумному осмыслению.
За всю историю ракетной космонавтики на орбиту, а это в среднем высота 300 км, выводилось не более 500 тонн грузов ежегодно. Такую же транспортную работу — до 500 тонн в год на расстояние 300 км — на планете выполнит одна лошадь, запряжённая в хорошую телегу. Также, как одна-единственная телега не сможет сегодня обслуживать транспортные нужды 7 миллиардов человек (для этого попробуем мысленно убрать с планеты весь транспорт, кроме одной телеги), так и в будущем одна-единственная «космическая телега» не сможет обслуживать нужды космической индустрии, завязанной на потребности миллиардов землян. Да и дороговато это будет — при общих затратах, переваливших за 56 лет космической эры за триллион долларов (телега, выполненная в виде бриллианта, стоила бы значительно дешевле), доставка тонны груза на орбиту ракето-носителем не будет дешевле $10 млн. Тем более, что уже подсчитано, — порядка 100 запусков в год тяжёлых ракето-носителей типа американского «Спейс Шаттла» (а это не более 2.000 тонн грузов в год) приведут к необратимым негативным экологическим изменениям, в том числе и в озоновом слое планеты. Не лучше в этом плане и российская ракета-носитель «Протон-М», заправленная сотнями тонн топлива (гептил) — более ядовитого вещества, чем, например, цианистый калий.
Не спасёт положение и «космический лифт», разрабатываемый в наши дни специалистами американского космического агентства НАСА (идея лифта принадлежит российскому учёному К. Циолковскому и российским инженерам Ю. Арцутанову и Г. Полякову). Самонесущий лифт-трос длиной около 100 тыс. км и массой не менее 1 млн. тонн из сверхпрочного материала (прочнее стали в тысячи раз), закреплённый на экваторе планеты одним концом, сможет ежегодно доставлять на орбиту не более 2,5 тыс. тонн различных грузов. То есть это будет всего 5 «космических телег», таких же баснословно дорогих — «бриллиантовых».
Мы не знаем, каким образом будет развиваться техника в будущем и космическая — в том числе, как не знаем и грядущих открытий. Подобные предсказания — неблаговидная, да и, в общем-то, бессмысленная затея. Чтобы убедиться в сказанном, достаточно вспомнить наивные научные прогнозы 50-ти или 100-летней давности. Единственное, что можно утверждать с полной уверенностью, — какой бы эта техника ни была, она будет подчиняться фундаментальным законам материальной Природы. Такие законы, многократно проверенные практикой, останутся справедливыми и в будущем. В области механики к их числу относятся четыре закона сохранения, к которым могут быть сведены все остальные частные законы сохранения, а именно: энергии, импульса, момента импульса и движения центра масс системы. По этим законам спроектирован весь современный транспорт — телеги, велосипеды, автомобили, поезда, самолёты, вертолёты, ракеты. И будущий космический транспорт не станет исключением.
Оптимизация космической транспортной системы, исходя из фундаментальных законов физики, и привела российского инженера А. Юницкого в 1977 г. к созданию идеального решения — общепланетного транспортного средства (ОТС). Один-единственный самонесущий летательный аппарат, выполненный в виде тора с поперечным сечением в несколько метров, охватывающий планету в плоскости, параллельной экватору (см., например, монографию: http://www.yunitskiy.com/author/1995/monograph1chapter20.pdf), сможет выводить за один рейс на орбиту миллионы тонн грузов и миллионы пассажиров. При стоимости доставки на орбиту до $1 за килограмм. То есть, стоимость пассажирского билета на орбиту будет в пределах $100, при комфорте путешествия, превышающем комфорт в современных поездах.
К сведению.
Чтобы выполнить по объёму такую же транспортную работу, которую выполнит всего за один рейс ОТС, современной космонавтике понадобилось бы порядка 60 тыс. лет — то есть запуски первых космических челноков должны были начаться в доисторические времена, примерно тогда, когда неандертальцы научились добывать огонь.
Общепланетное транспортное средство — единственное техническое решение, с использованием которого транспортная система способна выводить грузы на различные круговые экваториальные орбиты без использования реактивных двигателей. И единственное решение, где может быть использован самый экологически чистый «принцип барона Мюнхгаузена» для выхода в космос, так как в процессе функционирования ОТС положение его центра масс не меняется в пространстве. Поэтому оно может выходить в космос, используя лишь внутренние силы системы, без какого-либо энергетического, механического, химического и др. видов взаимодействия с окружающей средой, то есть будет предельно экологически чистым. Более того, при грузопотоке «Космос—Земля», превышающем обратный грузопоток «Земля—Космос», ОТС сможет функционировать в режиме «вечного двигателя». Избыточной кинетической и потенциальной энергии космического груза, доставляемого на планету, будет достаточно для последующего старта ОТС с планеты на орбиту (каждая «лишняя» тонна груза, экологически чисто спущенная с орбиты на поверхность земли, по энергетике эквивалентна 5 тоннам нефти).
Только растянутая нить, имеющая бесконечно малые поперечные размеры по отношению к длине (соотношение 1:10.000.000) может быть устойчивой самонесущей конструкцией. Поэтому ОТС является разновидностью струнных транспортных технологий — иначе на орбите это «колесо» диаметром более 12 тыс. км, имеющее в поперечнике размер всего в несколько метров, потеряло бы устойчивость. Именно от этого проекта в том же 1977 г. и «отпочковались» RSW-технологии — наземный струнный транспорт. В процессе оптимизации автору необходимо было упрощать и удешевлять эстакаду, с которой должно было стартовать в космос ОТС. Оптимизация и привела к предварительно напряжённой — растянутой — конструкции эстакады, на которую оставалось только поставить рельсовый автомобиль и снабдить соответствующими рельсами.