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“通天塔”——太空電梯技術(shù)

2020-12-14 04:20:44
大眾科學(xué) 2020年10期
關(guān)鍵詞:大林纜繩碳納米管

建設(shè)“地月空間經(jīng)濟(jì)區(qū)”?可行嗎?具相關(guān)專家分析,可行!或于未來10~15年出現(xiàn)的太空電梯技術(shù)將助力實(shí)現(xiàn)該計(jì)劃。那太空電梯是什么?如何運(yùn)行呢?

簡(jiǎn)單的原理,巨大的作用

太空電梯的原理并不復(fù)雜,與生活的中的普通電梯十分相似。只需在地球同步軌道上建造一個(gè)空間站,并用某種足夠長(zhǎng)也足夠結(jié)實(shí)的“繩索”將其與地面相連,在引力和向心加速度的相互作用下,繩索會(huì)繃緊,宇航員、乘客以及貨物可以通過電梯轎廂一樣的升降艙沿繩索直入太空,這樣不需要依靠火箭、飛船這類復(fù)雜航天工具,可謂是名副其實(shí)的“通天塔”。

太空電梯的想法最早由俄羅斯科學(xué)家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基于1895年提出,他提議在地球靜止軌道上建設(shè)一個(gè)太空城堡,用一根纜繩將地面與城堡相連,以此實(shí)現(xiàn)太空運(yùn)輸。1979年英國(guó)作家阿瑟·克拉克將這個(gè)概念寫入了科幻小說《天堂的噴泉》,引起了公眾的廣泛關(guān)注。在科幻作家劉慈欣的作品《三體》中,也有關(guān)于太空電梯的描述。

本來太空電梯只是科幻概念,但是科技發(fā)展讓這個(gè)構(gòu)想不再遙不可及。這其中的一個(gè)重要突破就碳納米管技術(shù)。碳納米管是由碳原子組成的圓柱形分子,這些碳原子連接成六邊形,直徑僅為1納米,其抗拉強(qiáng)度是已知任何材料中最高的,理論上高達(dá)300千兆帕斯卡。2018年底有報(bào)道稱,清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種高強(qiáng)度的纖維,僅1立方厘米的用碳納米管制成的纖維就能承受160頭大象(超過 800 噸)的重量且不會(huì)斷裂,而這根纜繩僅重1.6克。

不難看出,如果太空電梯建造成功,其意義非同凡響。相比火箭,太空電梯的最大特點(diǎn)就是能大大降低人和貨物進(jìn)入太空的成本。目前的國(guó)際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射中,每千克荷載的運(yùn)輸成本約2.5~4萬美元之間。據(jù)估計(jì)太空電梯建成后,每千克荷載的運(yùn)輸成本約為200美元。而且太空電梯更加安全,乘客不需要像宇航員那樣經(jīng)過長(zhǎng)期復(fù)雜的訓(xùn)練就能進(jìn)入太空。這首先得利的應(yīng)是太空觀光旅游業(yè),今后普通人也能輕易實(shí)現(xiàn)飛天的夢(mèng)想。同時(shí)太空電梯能夠?qū)w船、衛(wèi)星及相應(yīng)的零件直接“提升”入軌或在太空組裝,這樣就無需大運(yùn)力的運(yùn)載工具和消耗大量燃料,太空電梯巨大的運(yùn)力將來甚至于可以幫助在軌道上建造各種巨型太空設(shè)施,如太空電站、太空工廠、太空城市等。

凡人的“天路”,大國(guó)的“快車”

鑒于太空電梯所帶來的巨大收益,目前各國(guó)科學(xué)家早已開始了探索。而日本是最積極的國(guó)家之一,10年前就組織了“日本太空電梯協(xié)會(huì)”。2018年9月有消息稱,日本靜岡大學(xué)工學(xué)部的科研團(tuán)隊(duì)與日本建設(shè)公司大林組合作開發(fā)了迷你版太空電梯,并將其送往國(guó)際空間站進(jìn)行測(cè)試。該實(shí)驗(yàn)用一段10米長(zhǎng)的鋼制纜繩,連接2顆邊長(zhǎng)為10厘米的小型立方體衛(wèi)星。在纜繩上,研究人員利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)模擬電梯升降艙的盒子,使其在纜繩上來回移動(dòng),以此測(cè)試太空電梯模型的可行性。當(dāng)時(shí)有消息指出,參與太空電梯實(shí)驗(yàn)的大林組還在單獨(dú)推進(jìn)研發(fā)工作。據(jù)大林組公司網(wǎng)站介紹,他們構(gòu)想用碳納米管制作纜繩,6組升降電梯依靠電動(dòng)機(jī)在其上運(yùn)行,升降艙將建成直徑為7.2米的雞蛋狀,可承載30人。電梯從地面出發(fā),預(yù)計(jì)8天到達(dá)空間站。該公司評(píng)估這一套太空電梯系統(tǒng)大約需要20年的建造時(shí)間,耗價(jià)約10萬億日元。2019年9月在日本福島縣南相馬市,來自日本國(guó)內(nèi)外的大學(xué)和企業(yè)等12個(gè)團(tuán)體再次開展了太空電梯的大規(guī)模實(shí)證試驗(yàn)。

俄羅斯托木斯克理工大學(xué)新技術(shù)工程學(xué)院院長(zhǎng)阿列克謝·雅科夫列夫稱:“現(xiàn)在正在討論太空電梯的理念,這一理念早就已經(jīng)出現(xiàn)。據(jù)我掌握的信息,中國(guó)正計(jì)劃實(shí)施該項(xiàng)目。目前正在研發(fā)材料,這種材料將成為運(yùn)送技術(shù)的基礎(chǔ),通過這種技術(shù)可先將物資和人員送往地球靜止軌道,然后再發(fā)往月球。這或?qū)⒃谖磥?0~15年內(nèi)實(shí)現(xiàn)?!辈浑y想象,在今后中國(guó)的“地月空間經(jīng)濟(jì)區(qū)”建設(shè)將會(huì)搭上太空電梯的“快車”。

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