@ 2015.09.04 , 08:30

出现逾百年的太空电梯概念为何迟迟未能实现?

即使美国太空探索技术公司(SpaceX)已经推出了可重复使用的助推器,化学火箭仍然是昂贵、危险的、不甚安全的运送方式。航天员如果能直接搭电梯按下O按钮进入轨道那该多么简单方便,如此人类就能温文安静地抵达外太空。

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这是国际太空电梯联盟(ISEC)所有科学家、工程师及企业家的共同梦想,上周他们在西雅图举行了年度会议再次讨论到这个问题。建立太空电梯的概念出来已经一个多世纪,基本概念听起来很简单:从对地静止轨道的太空飞船上吊下来一根系绳到赤道上(可能就在东太平洋)的一个浮动平台。因为有一个延伸到外太空的砝码,所以太空电梯的系绳因为重力的关系会很稳,电梯吊厢需要一个星期到达轨道上,供电问题可以联合太阳能电池板和地面激光器一起解决。

ISEC研究人员认为,这样一个系统最终可以节省下搭载一公斤有效荷载上轨道所需的成本,从25000美元(158860RMB)降到300美元(约1906RMB)以下。请注意这里的关键字——最终。现在离终还有很多技术上的挑战,包括建造航空母舰大小的浮动平台、设计安全快捷的吊厢、躲开太空碎片及其他卫星。但最根本的障碍还是缺乏强韧、有弹性的材料做系绳。

在现行设计中,太空电梯的缆绳并不是最初提出的粗圆状的缆绳而是纸一样薄的丝带,宽约1米,长10万公里。即使已经“瘦身”成这么细,如此长一根缆绳从高空中悬挂下来产生的拉力都足以让钢、凯芙拉合成纤维、碳纤维复合材料甚至是现在最强的碳纳米管瞬间崩断。

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在ISEC会议的主题演讲中,辛辛那提大学材料工程师Mark Haase提出,这根缆绳的材料强度必须至少比现存材料强10倍。他先拿碳纳米管做了尝试,因为它在超强材料的研究中有很大潜力,最早在1991年发现时,它还是用一个个碳原子堆积成的圆柱形结构。现在已经批量生产作为添加剂加入混合在其他材料中,提高其他材料的强度、导热或导电性。

但是,虽然纯碳纳米管非常强大,却很难做成宏观的大规模物体。它们不能像凯夫拉合成纤维一样被融化、挤压,也无法像天然纤维一样排序、对齐。目前做成的最常碳纳米管,一端着地另一端连孩子膝盖都不到,更别提让它长到通向月球。Haase认为,可行的办法是用极小的聚合物胶把纳米分子交叉联合。

ISEC并没把所有希望都寄托在碳纳米管上,石墨烯也是很有潜力的材料。它是只有单个原子厚度的碳,虽然在歪曲、扭转的弹性需求上不及纳米管(10万公里长的缆绳在大气层中来回移动必然会出现弯曲、拧动的情况)。

再退后一步的备选材料是氮化硼纳米管,它在形式上和碳纳米管类似不过是氮原子和硼原子互换形成的。这样形成的材料拥有很强的化学稳定性,这样可以让它耐用,能长时间存在于地球的高层大气中防止高活性氧原子降解碳纳米管绳索。负责制作纳米管轨道的工程师说他们已经找到了防止这种宇宙侵蚀的办法:在脆弱易损部分镀金。再回到氮化硼纳米管的问题上来,它不仅能防止氧原子侵入还能应对地球磁层外的太阳、宇宙辐射。

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Haase说:“当我们对这些材料有了更多了解之后,我们就很有可能提高它们的强度。”他预测最有希望的是纳米管和聚合物的合成材料,并表示能在20年内满足太空电梯缆绳所需的最低强度要求。

ISEC理事之一Bryan Laubscher认为系绳用材问题很重要,而且在太空电梯实现之前很久在别的产业有很大意义。他说:“想象一架用碳纳米管做的波音797,它的重量肯定会比现在的飞行器轻1/10,机身也不会那么容易被撞毁。”

现在ISEC用的每一分钱都是私营部门出的钱,预算是180亿美元,他们在年初发表了一篇文章写道:“我们发现政府内部确实没有必须介入太空电梯设计、建筑的必要。”这个行为可能打了NASA的脸——2012年NASA放弃了一个200万美元的创造超强揽胜材料竞赛。不过没关系,即使世上最有钱、最有远见的宇航局都对你的登月计划无能为力,至少还可以考虑一下这个地面与太空间的升降机。

本文译自 IEEE Spectrum,由译者 小笨 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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