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我国科学家说有建造太空电梯的钥匙

日期:2018-11-23 19:50:50 标签:太空电梯
导读:中国科学家已经研制出一种碳纳米管纤维,他们说这种纤维足够结实,可以用来建造太空电梯。清华大学的研究小组为这项技术申请了专利,并在今年早些时候的《自然纳米技

太空电梯

中国科学家已经研制出一种碳纳米管纤维,他们说这种纤维足够结实,可以用来建造太空电梯。清华大学的研究小组为这项技术申请了专利,并在今年早些时候的《自然纳米技术》杂志上发表了他们的部分研究。

他们说,这种纤维“在很多高端领域,如运动设备、弹道装甲、航空、航天,甚至太空电梯,需求量很大”。但是,从地球到太空的升降机真的有可能吗?或者这只是科幻小说中的情节吗?

什么是太空电梯?

科幻小说作家阿瑟·C·克拉克爵士在1979年的《天堂喷泉》中写道:“尽管几代人的研究使火箭成为有史以来最可靠的推进形式,但航天器仍然效率低下。这部小说是俄罗斯科学家Konstantin Tsiolkovsky在1895年描述的一个想法的第一个流行描述:太空电梯,一个行星到太空的运输系统,就像我们每天使用的电梯一样,但是要高出30万倍。

太空电梯的吸引力归结于它可能找到一种更便宜的太空旅行方式。发射一颗卫星一次旅行要花费超过1.6亿美元,但据估计,一架太空升降机可以把这一费用降低到每人每次旅行不到200万美元。

它是如何工作的?

空间升降机的基本概念包括锚定在地球表面的缆绳,并连接到被送入太空的平衡重上。如果电缆足够长——36000公里(22369英里)或3倍于地球的直径——它将被重力和离心力拉紧并直立。理论上讲,车辆可以沿着电缆行驶,由地球的旋转能量推动。这将彻底改变太空旅行,但是设计和找到足够坚固的材料来满足这个想法是极其具有挑战性的。日本在九月份发射了两颗卫星,第一次实验是研究太空中电梯的运动,包括沿着缆线从一个卫星到另一个卫星的小型升降机。它还没有报告结果。中国还进行了太空系绳测试,但没有透露细节。

谁提的这个设想?

火箭科学家Tsiolkovsky早在1895年就提出了这个概念,他设想在太空中用一座巨大的塔系住地球的天体城堡。俄罗斯工程师尤里·阿特苏塔诺夫(Yuri Artsutanov)更进一步,基于齐奥尔科夫斯基的模型开发了一台现代版的太空电梯。

1975年,美国工程师和空间科学家杰罗姆·皮尔逊发表了第一篇关于这个概念的技术论文,引起了科学界的关注。四年后,科幻小说家克拉克在他的关于太空电梯的小说中借鉴了皮尔逊的设计来推广这个想法。从那时起,科学家们一直在尝试微调设计和开发新材料,使概念更接近现实。

是什么使太空电梯如此具有挑战性?

需要克服的三个最大挑战是屈曲、动态稳定性和强度。科学家们相信,在卫星帮助下,他们可以控制在适当高度的地球静止轨道上的屈曲和动态稳定性,以确保电缆不会被地球的重力拉下或飞走。但是强度问题还没有解决,因为空间电梯需要足够坚固的材料来承受巨大的重量和张力。皮尔逊在《宇航学报》上发表的论文中写道:“对强度的要求极其苛刻,但理论上在石墨的完美晶须中可以得到所需的强度重量比。”

超轻超强电缆

据美国宇航局称,空间电梯所需的超轻超强电缆需要至少7千兆帕的抗拉强度——以承受拉伸。清华研究小组说,他们最新的碳纳米管纤维具有80千兆帕的抗拉强度。 意大利特伦托大学的固体和结构力学教授尼古拉·普格诺说,中国研究人员的新纤维很有前途。
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