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标题: 可送人类进入太空的天梯，真的是存在的吗？ [打印本页]

作者: 尹秀贵 时间: 2022-8-22 06:44
标题: 可送人类进入太空的天梯，真的是存在的吗？

图片泉源@视觉中国

文｜观察将来科技

随着太空旅游贸易化的打开，在太空中生存已经成为看得见的来日诰日。
固然，在太空生存的第一步，是走向太空，只管当前的载人火箭已经可以或许把人类送向太空，但随之而来的火箭和火箭燃料的费用却极其昂贵——火箭技能以重新组合原子和分子中的电子为根本，火箭燃料属于化学能源，其服从只比古老的内燃发动机高3倍，比壁炉中的煤燃烧高5倍。若想将物体送入地球轨道，至少要泯灭1000万美元。
而且，无论使用的是固体燃料还是液态燃料，火箭发射过程都是一个险些无法控制的爆炸过程。一个焊接点、一个阀门或一个开关出现故障，都会带来灾难。而此时，假如可以或许拥有一部直通太空的电梯，理论上，这部电梯除了可以或许完成来回路程，更是只必要付出现实产生的电费。
面对棘手的资本标题，太空电梯似乎成为了一个良好的办理方法。

一部送入太空的电梯

太空电梯，简朴来说，就是一部可以将人类送入太空的电梯。现实上，自有笔墨纪录以来，人类就空想制作出能修通往迢遥太空的装备。就像圣经中巴别塔的故事一样，《圣经·创世记》中讲道：“他们说，来吧，我们要制作一座城和一座塔。塔顶通天。求你使我们得名声，省得我们分散在全地球上。”
今世人类也曾制作出高耸入云的修建。当前，全天下最高的修建是828米的迪拜哈利法塔。固然，太空电梯的高度将远不止于此。毕竟，从地面到近地轨道，就有快要400千米的高度。
第一个今世太空电梯的概念，出自航天之父——康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基。彼时，齐奥尔科夫斯基从刚建成的埃菲尔铁塔得到开导，假想了一个高达35790千米的结构，这个高度与地球同步轨道的高度相当。地球同步轨道的轨道周期与地球自转周期雷同，因此，从地面上看，物体在太空中的位置是固定稳固的。这个时间，假如从地球同步轨道的某一个点向下看，这座都会也将永世保持在这一个点的正下方，假如这个点停顿在轨道上，都会将永世不会相对于这个点移动。
从云云高的修建物顶端开释一个物体，就像人类拥有了一座直通太空的天梯，但是，这个结构产生的极度压缩是任何质料都无法蒙受的，因此，齐奥尔科夫斯基的想法徐徐就被人忘记了。
直到1959年，另一位苏联科学家尤里·阿特苏塔诺夫（Yuri Artsutanov），提出了一个更加可行的想法。他发起从地球同步卫星上放下一根缆绳，同时向阔别地球的方向伸出一个平衡物，以保持受力平衡，如许缆绳就可以悬停在地球外貌的同一位置。太空电梯应保持拉紧状态，不能紧缩或弯曲。
这就是物理学。缆绳的近地端之以是可以或许保持拉力，是由于地球具有较大的地心引力，而缆绳的另一端之以是可以或许保持拉力，则是由于深深入太空的缆绳顶端毗连在小行星上，其产生的离心力同样为缆绳施加了一个力。这样我们就拥有了垂直的高塔，可以从地球外貌直接延伸到太空。
20世纪60年代和70年代，太空电梯，大概说缆绳的构想颠末了多次革新。1979年，因科幻作家阿瑟·克拉克（Arthur Clarke）的小说《天国的喷泉》（The Fountains of Paradise），太空电梯引起了公众的爱好。克拉克意识到，缆绳应该呈锥形，且与地球同步轨道在同一高度的部门最粗，而两头应该稍细，这是为了使缆绳在给定横截面上蒙受的总重量相当。
之以是要保持总重量相当，是由于在拉紧的状态下，缆绳上的任何一点都必须能支持自身的重量。缆绳上所受张力最大的位置，和地球同步轨道在同一高度。克拉克还意识到，随着缆绳下段的制作，平衡物将往上延伸到144000千米的高度，险些靠近地月间隔的一半。
然而，研究这一标题的工程师们发现，已知的质料都无法胜任这一重任。

今世人的巴别塔

一种质料能否用于制作太空电梯，紧张取决于它的抗拉强度和密度。衡量其风致的一个紧张指标，是它在自身重量下断裂前所能到达的最大长度。
但显然，传统的质料无法成为天梯缆绳的制造质料。当前，桥梁中使用的钢索，其断裂长度为25千米～30千米。蜘蛛丝固然是由卵白质构成的，但它的抗拉强度和钢相当，而密度只是钢的1/6，以是其断裂长度为100千米，但还不敷以到达近地轨道。即便是合成纤维，大概能将人类带到300千米或400千米的高度，这个高度足以到达国际空间站，但仍无法将平衡物送入更高的高空。
理想状态下，这条缆绳还应具有导电功能，因此，电梯的主体结构质料现实上可用作电力体系的一部门。而且，这部电梯必须充足强大，不光可以或许蒙受自身的重量，还要可以或许蒙受缆绳顶端锚定的行星给电梯带来的张力。
这意味着，在搭建太空电梯之前，人类还必要找到一种比现有任何质料更加坚固、更加轻巧的新型质料。从理论上讲，石墨烯以及碳纳米管是如今已知的、可以或许实现这些要求的唯一质料。
石墨烯与碳纳米管同出一源，只不外，石墨烯更加简朴且精妙，石墨烯由单一的碳元素，通过一种化学键形成。现实上，当谈到某种质料时，多数人都会想到构成这种质料的原子和分子，此中分子是由特定种类和数目的原子构成的。但对石墨烯而言，碳原子的数目多少并不紧张。真正使石墨烯区别于金刚石和石墨等其他纯碳质料，进而表现出自身特性的关键在于碳原子间的团结方式。
从原子层面观察，单层石墨烯看起来就像是一个由六边形单位构成的铁丝网围栏，每一个碳原子构成了六边形的每一个顶点。这种六边形的分布方式使石墨烯中的浩繁碳原子可以或许分布在一个平面上，并赋子石墨烯神奇的强大特性。石墨烯拥有扁平的二维分子结构，因此单层石墨烯只有一层原子那么厚，而就是一层原子厚度的石墨烯质料却格外强韧。对石墨烯的应用已经成为21世纪质料技能革命的关键所在。而且，不必要付出极重的环境代价。
另一边，将碳原子毗连在一起，卷成直径只有百万分之一米的圆柱体，这个圆柱体就是碳纳米管。碳纳米管很稳固，而且具有良好的导热性和导电性。固然，让太空工程师们感到高兴的，是碳纳米管的力学性子。碳纳米管固然微小，其强度却是钛合金的50倍，理论极限值则更强。
碳是元素周期表中第6轻的元素，险些没有自重。由于质量轻，以是碳的强度和稳固性都是独一无二的。如今碳纳米管的长度固然有限，但假如人类能将这项技能放大10亿倍，大概就能把碳纳米管编织成一条能到达太空的碳缆绳。
别的，比年来，科学家还发现了一种叫作碳炔的物质，它是碳的同素异形体，强度以致高出了如今作为碳纳米管根本的石墨烯。
2013年，国际宇航科学院（International Academy of Astronautics）发布了一份厚达350页的陈诉，陈诉内容为如今为止对太空电梯举行的最具体的计划研究。最适适用来制作太空电梯缆绳的质料仍旧是个未知数，但这份陈诉计划了一种到2035年能携带多个20吨有用载荷的太空电梯。
太空电梯具有庞大的战略意义，今世人，正在通过太空电梯来实现巴别塔的通天空想。

太空之行还必要什么？

假如说太空天梯的使用是思量到太空远行的巨大资本，那么，与之相适配的另一项紧张技能，就是3D增材制造技能。
在前去火星执使用命的过程中，宇宙飞船的来回必要2～3年，这意味着，假如紧张部件损毁，必要有备用配件可以及时更换。从统计学上讲，并不是每项紧张部件都会出现损毀，但此中某一项出标题却险些是不可制止的。已往，人们只能在太空之行前为全部紧张体系带上备用部件。
这也就意味着，除了发射任务团队所需的各项功能性装备外，人们还必要发射一个配件蕴藏库，以便在飞行过程中为维修提供资助。这些航天部件大部门永世都用不到，但却仍需配备。随之而来的，就是航天任务的资本和复架程度均会因此明显提升，这也是这种备用部件供应方式存在的标题。
更多的备用部件意味着我们必要提供更多的存储空间，最紧张的是，重量也随之变得更大。更大的重量自然必要额外的燃料，从而又使整个体系的重量进一步增长。如今，每千克火箭的发射资本为了3000~10 000 美元不等，也就是说，全部这些备用部件以及用于储存和发射它们所需的资本将会很高。
那么，假如不必要携带全部这些备用部件，而只需带上一台 3D打印机、原质料，以及全部备用部件的制造方案呢？那将会成绩另一番更加便携且资本更低的太空之旅。如许一来，为储存备用部件而预留的负载重量便可大幅减少，要送入太空的 “物品”也相应淘汰，我们还将同时低落资金投入和不须要的复杂度。宇航员和航天任务的规划者也将因此得到更多机动性。
3D增材制造已被NASA 视为开展长期太空探索的须要技能，他们在国际空间站上对增材制造体系举行了太空失重环境下的使用测试。此前，第一代太空级 3D 打印机己经在国际空间站完成了飞行和相干测试。
巧的是，对于太空的3D增材制造来说，它们必要用到和太空天梯雷同或相近的质料——石墨烯。究其缘故因由，从这种质料的强度、导电性能以及公道掺杂后形成的半导体性能，到尚待开发的如水过滤、发电和存储等更多奇特性能，使用了石墨烯的 3D 打印机必将开启无穷大概性。
好比，使用大型的3D打印机，在月球或火星上制作出一片片居住聚居地。将本地的土壤或风化层与石墨烯团结后，可以让这些居住聚居地的修建变得更加牢固，使居住聚居地在两大星球的恶劣环境中更具生存本领。还可以使用打印出来的嵌入式传感器，复制出星球的外貌结构，对聚居地的表里环境举行监控。以致就地制造关键性的生命维持体系，使人们可以或许顺应恣意着陆点的独特环境。
如许一来，科学家既不必要在地球上根据指定着陆点举行预先规划，使得探索范围受到极大限定，也不必要预先制造出足以顺应任何环境的强大要系，在体系的质量和复杂程度上投入过多精力。在将来，人们只要在任何必要的时间计划和制造本身所需的生命支持体系。
太空生存已经成为可见的来日诰日，如今，人们不光乐成登录太空中的很多星球，更是在空间站里举行了太空居住，但太空生存想要走向民间，还必要的是，低落巨大的资本和大概的风险。而显然，相较于国际空间站的资本来说，太空电梯的100亿～500亿美元的资本黑白常低的——对于一个将发射资本低落到100美元/千克的工具而言，其发射资本只有地面上的火箭的1/20。
与太空生存带来的新经济活动相比，太空电梯和增材制造的资本显得微不敷道，这也推动着科学家朝着更加便捷、服从的太空旅游更近一步。

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