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太空电梯,是趋势?还是幻想?

九州大驱魔师 发表于 2016-2-25 22:16:32 [ 上一主题] [下一主题]

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埃隆·马斯克是公认的很有远见的工程师,他是私人太空旅行的先驱,超级高铁概念的提出者(ps.超级高铁:在金属管道中仅用35分钟就能把人从洛杉矶发射到旧金山)。但仍有一些新概念,就连他都认为是天方夜谭,太空电梯就是其中之一。

“这是极其复杂的,我不认为太空电梯的构想能实现”,埃隆·马斯克去年八月在麻省理工的一次研讨会上说,他表示建一座从洛杉矶到东京的大桥都比太空电梯容易。

在地球自转下,用航天舱沿着巨大的缆绳把人和货物送入太空,这通常是科幻小说里的情节,但我们从没想过这会成为现实,我们真的能实现太空电梯吗?

根据之前的调查,太空电梯的拥护者们不认为这是在开玩笑,他们认为化学火箭只是一种过时的、危险的、对环境有害的过度品,他们提出了替代的方法——通向太空的轨道:一条强度极高的缆绳,一端固定在地球表面,另一端连接在一个在地球同步轨道上运行的配重物上,电力驱动的飞船沿着这个轨道驶向太空。根据国际宇航学会(IAA)最近的报告,这种电梯一旦建成,向太空中运送货物的成本将减至$500每千克,而目前的成本约为$20000每千克。

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这项惊人的技术能让太阳系对我们人类彻底开放”,国际太空电梯联盟总裁兼IAA报告第一作者Peter Swan说,“最初我们会建造几个不载人的实验品,之后大概10到15年,我们将会拥有6到8个安全的可载人的太空电梯”

追根溯源

不幸的是,这种轨道不仅需要长达100000千米——比地球周长的两倍还要长,还要承受轨道自身的重量。显然,地球上没有材料能满足这些要求。

但仍然有一些科学家认为太空电梯是可行的,而且在21世纪就能实现。一家日本建筑公司声称计划在2050年前建成一座这样的太空电梯;一些美国科研人员最近发明了一种类金刚石纳米材料,他们相信这种材料的强度足够高,能让我们在有生之年见到真的太空电梯。

太空电梯的设想可以追溯到1895年,俄罗斯教师Konstantin Tsiolkovsky受到当时刚建成的巴黎埃菲尔铁塔的启发,开始思考如何修建一座通往太空的塔,从而不用火箭就可以把飞船送入太空。科学小说家Arthur C Clarke 1979年写的《The Fountains of Paradise》一书更加激发了人们对太空电梯的兴趣,书中的主人公修建了一座太空电梯,这座太空电梯与我们现如今提出的设计很相似。

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但如何把太空电梯变成现实?“我喜欢这个别出心裁的创意”,伦敦大学学院高度、空间和极端环境医学中心的创始人Kevin Fong说,“我能理解人们为什么被太空电梯的概念吸引,因为如果我们可以安全、便宜的进入太空,整个太阳系就会成为我们的囊中之物”。

安全问题

最大的挑战是如何建造。“首先,我们需要一种韧性足够强,质量、密度特性恰到好处的材料,从而可以承受巨大的拉力,但符合这些的材料现在还不存在”,Fong说,“我想实现太空电梯将是我们人类探索太空进程中最困难的一步”。

而且目前仍存在安全问题,他接着说,“就算我们能克服建造过程中的困难,试想建成后,太空车沿着这么长的轨道行驶,还要提防被太空碎片击中,这太恐怖了”。

在过去的12年里,有三种太空电梯的概念设计。第一个是由Brad Edwards和Eric Westling在他们2003年的著作《Space Elevators》中提出的,他们设想用地基激光驱动电梯,可携带20吨货物,运输成本为$150每千克,而建造成本约为60亿美元(39亿英镑)。

从这种思路出发,IAA在2013年设计了一种太空电梯,在最初的40千米给飞船周全的护送,之后的路程中飞船将利用太阳能继续行驶,运送每千克货物花费$500,初期投资约为130亿美元(85亿英镑)。

对于在太空中,缆绳另一端,维持缆绳绷紧的配重物的选择,最初提案之一是俘虏一颗小行星。IAA的报告称,未来这可能是一种选择,但目前还无法实现。

浮锚

IAA报告的作者们还表示,配重物必须耐辐射,能抵御来自流星的伤害和温度波动等。

他们同时提议地球端的锚点应该是一个有油轮或航空母舰大小的浮动平台,应该设置在赤道附近,因为这样可以让承载能力最大化。他们推荐的地点是加拉帕戈斯群岛以西1000千米的地方,因为那里很少有台风、龙卷风等极端天气。

日本五大建筑公司之一的大林组株式会社,去年声称计划建造一个更惊人的太空电梯,磁悬浮驱动的自动车行驶在轨道上,跟高速铁路很相似,这种设计将需要更高强度的结构。根据他们的设计,建造需要花费1000亿美元,但可以把运输成本降至$50-$100每千克。

毫无疑问,想要建成太空电梯,还有很多问题需要解决,如今唯一无法实现的大概就是缆绳本身,Swan说。

“找到制作缆绳的材料是目前的主要挑战,”他说,“其他的的都是小菜一碟,我们现在都能实现”。

金刚石缆绳

目前最有希望符合缆绳要求的材料是人造碳纳米管(CNTs),抗张强度为63吉帕斯卡(GPa),约为最坚固的钢的13倍。

自从1991年人类发明了人造碳纳米管,它的最大长度一直在稳步增加。2013年中国研究人员称制成了半米长的人造碳纳米管,IAA报告的作者们预言,2022年前长达一千米的人造碳纳米管将会问世;截至21世纪30年代,人造碳纳米管的最大长度就能满足太空电梯的要求。

与此同时,今年九月出现了一种有希望与人造碳纳米管抗衡的材料,宾夕法尼亚大学化学教授John Badding带领的团队在《Nature Materials》期刊发表的论文称,他们创造出了一种超薄的新材料“diamond nanothreads”(金刚石缆绳,一种由钻石构成的纳米级材料),比人造碳纳米管强度还要高。

他的团队把苯压缩到200000倍大气压,然后缓慢释放压力,这时原子开始重新排列,形成一种新的、高度有序的类金字塔型结构。

这些“小金字塔”连接在一起形成了一种超薄的螺旋结构,由于尺寸原因,我们无法直接测量它的强度,但理论计算表明,它比迄今为止最硬、最结实的合成材料强度还要高。

控制风险

“科学表明,金刚石缆绳和人造碳纳米管的强度足够满足太空电梯的要求,唯一的问题是如何把他们做的足够长”,Badding说。

如果材料的强度足够,把太空电梯组装起来就成了首要问题。当然还有些其他令人头疼的问题,比如:安全问题、资金问题、利益冲突等。

“当然还有一些困难,比如修建横贯大陆、巴拿马、苏伊士运河等的铁路”,他说,“这需要耗费大量的时间和金钱,但人类团结起来,问题都会解决,风险也会逐步降低”。

即使是一向对太空电梯持消极态度的马斯克,也不敢全盘否定太空电梯。“我认为太空电梯目前还没什么意义,但我更希望有人能证明我是错的”,他在去年的MIT研讨会上说。



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幻灵 发表于 2016-2-26 14:53:35

2

沙发

  嗯嗯嗯额

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天渊 发表于 2016-2-26 22:55:06

2

地板

假如全世界的宇宙开发组织都通力合作,共享技术,这东西早就出来了

点评

九州大驱魔师 回复于 2016-3-3 21:17

人类在这方面就是如此,热衷于追逐虚荣。

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StarAtlas 发表于 2016-2-26 22:52:56

板凳

太空电梯……叫我猜地基绝对很大……
话说这里还有一个东西叫做
来自: 手机APP客户端

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StarAtlas 发表于 2016-2-26 22:55:47

5#

StarAtlas 发表于 2016-02-26 22:52:56
太空电梯……叫我猜地基绝对很大……话说这里还有一个东西叫做

太空船坞……我觉着不一定非得要完全靠电梯送上太空,用一定的手段作助力也可以啊,就算没有直接送到外层空间也可以省不少燃料吧(我猜)
来自: 手机APP客户端

点评 引用回复 点赞(1)

上交换看 发表于 2016-2-29 13:18:47

6#




  知道了 ~~~

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