Оказывается, на объект (скажем, космическую станцию), находящийся на стабильной орбите, упрощенно говоря, действуют две взаимно противоположные силы: центробежная, обусловленная орбитальным движением, и сила притяжения планеты. В центре массы тела они уравновешивают друг друга, и наблюдатель на борту находится в условиях нулевого тяготения.
Если же столкнуть со станции какой-нибудь массивный предмет, связанный с нею тонким прочным тросом, то получится связка, обладающая интересными свойствами. Сила гравитационного притяжения планеты и центробежная сила опять-таки окажутся уравновешенными в центре масс связки, но она, эта точка, теперь будет находиться где-то между двумя объектами. А сами они оказываются неуравновешенными. По мере удаления от планеты сила притяжения уменьшается, а центробежная возрастает, и их равнодействующая направлена в сторону от планеты, оттягивая спутник от нее. И наоборот, по мере приближения к планете разность этих сил притягивает к ней спутник.
В итоге объект, движущийся на более низкой орбите с большей скоростью, тащит другой за собой подобно буксиру. При этом импульс более удаленного от планеты объекта увеличивается за счет импульса спутника, ближайшего к ней. Поскольку спутники стремятся разойтись в противоположные стороны, привязь всегда остается натянутой. Более того, регулируя ее длину, можно тем самым регулировать и параметры движения объектов на орбите, не тратя на это ни грамма топлива.
И это еще не все.
Если станцию и спутник связать тросом, проводящим электричество, образуется электродинамическая связка, которая может работать и как электрический генератор. Ведь при движении проводника в магнитном поле нашей планеты на заряженные частицы действует электродинамическая сила, перпендикулярная направлению движения и магнитному полю. При перемещении, например, связки с востока на запад в магнитном поле Земли, расположенном с юга на север, на электроны в проводнике привязи будет действовать сила, направленная от Земли.
Таким образом, можно не только корректировать орбиту, но и получать электроэнергию. Ведь привязь обменивается электронами с ионосферой и, захватывая свободные электроны у положительно заряженного конца (анода или коллектора), испускает их у отрицательно заряженного (катода или эмиттера), имеющего заряд. Ионосфера, проводящая электричество, замыкает цепь, и возникает непрерывный ток, который может служить источником энергии для бортовых систем. Скажем, низкоорбитальный спутник с привязью длиной в 20 км сможет генерировать мощность около 40 кВт — этого достаточно для работы научного оборудования и систем жизнеобеспечения на станции.
Расчеты были в свое время подкреплены экспериментами. Так, еще в 70-х годах прошлого века Марио Гросси из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в Кембридже и Джузеппе Коломбо из Падуанского университета в Италии впервые начали изучать возможности космической ЭДС в опытах. Их поддержали другие исследователи, и всего за прошедшие десятилетия в космос было запущено более полутора десятков экспериментальных устройств с тросами различной длины.
В первых связках тефлоновый чулок полностью изолировал проводящую часть привязи, а анодом служил большой проводящий шар. Однако такие аноды оказались неэффективными коллекторами электронов. Тогда в 90-х годах прошлого века НАСА и Итальянское космическое агентство запустили два спутника с 20-км привязью, в которых электроны собирал металлический шар.
Однако и здесь исследователи столкнулись с рядом трудностей. Отрицательный заряд, скапливающийся вокруг большого сферического анода, тормозит прибывающие электроны подобно тому, как узкая дверь создает толчею, когда люди спешат покинуть помещение.
На схеме (слева) показано, как можно получать ток из тросовой системы. Схема справа показывает, как можно использовать ток для управления движением спутника.
Решением проблемы может стать применение «голой» привязи, имеющей геометрию тонкого цилиндра. Если привязь оставить неизолированной по всей длине, за исключением входа на станцию, она будет собирать электроны практически по всей длине. Привязь может и не быть круглой в сечении: такой же ток способна собирать тонкая лента, которая намного легче и прочнее.
Все электродинамические системы могут увеличивать или уменьшать орбитальную скорость. Ведь в магнитном поле на провод с током действует сила, направление которой определяется известным правилом правой руки. Скажем, если связка перемещается по низкой околоземной орбите с запада на восток, то электроны в привязи двигаются к Земле и эта сила направлена навстречу орбитальному движению аппарата. Поэтому электродинамическая система испытывает сопротивление движению, подобному аэродинамическому, которое и понижает орбиту системы.