《流浪地球2》中的太空电梯能实现吗?

·极客观察2月7日 50多年前人类第一次登上月球(姑且相信美国人登月是真的),自此之后,进入太空的人类总数没有超过1000人次。曾几何时NASA幻想着在轨道上建设庞大城市,可惜,现在人类离这个目标还有很遥远的距离。太空研究和卫星研发的确让社会受益,但人类什么时候才能进入“太空时代”呢?这是一个科学家回答不了的问题。

物理学家Bradley Edwards博士认为,火箭将人类送入太空,但火箭也限制了人类向深空前进的步伐。在过去20年里虽然私人太空探索公司飞速发展,技术上也有进步,但是用火箭将人类和货物送入太空还是成本太高,过于昂贵。按照NASA的说法,将货物送入轨道一磅(453克)载荷需要1万美元。如何降低成本?Bradley Edwards给出一套方案:太空电梯。

如果你看过正在上映的《流浪地球2》,就会对太空电梯有一些印象。刘慈欣称,太空电梯在理论上实现没有任何悬念,最大困难是材料。

Bradley Edwards写过一本与太空电梯有关的书,他曾经给出一个大胆论断:“当历史学家回看从现在算起的未来500年,他们肯定会关注一个转折点,那就是人类建造太空电梯:它标志着前太空时代和后太空时代的分水岭。”

太空电梯的概念很简单:坐进“电梯汽车”,按下上升键,然后就能快速飞到离地表26098英里(约42000公里)的高空。太空电梯没有使用滑轮,它用的是带状线缆,从地表延伸至太空。电梯可上可下,不需要背负沉重的燃料。

不得不承认,太空电梯的概念是革命性的,概念也很简单,但技术挑战却是巨大的。太空电梯需要强大的材料科技和制造能力作为支撑,投资也极为庞大。

太空电梯可以用太阳能驱动,电梯内不需要装载燃料。最大的问题是线缆必须足够“强大”,碳纳米管是备选材料,只是人类先要制造足够长的碳纳米管。

就算有了可以使用的线缆,也需要在太空固定,否则线缆会掉下来,太空电梯完全靠离心力支撑。虽然大家讨论太空电梯已经很多年,但是很遗憾,至今没有什么材料可以承受如此强的拉力,即使是最强的现代碳纤维聚合物也无法胜任。

有没有别的办法?可能有。科学家认为人类可以将太空电梯固定在月球上,吊向地球。两种设计最大的不同在于离心力。地球太空电梯会围着地球自转,每天转一次,月球太空电梯不一样,它一月转一次,离心力小很多。

太空电梯从月球伸向地球时,因为地球月球都有引力,所以会彼此抵消不少的力量。拉格朗日点可以成为太空电梯的运营中心。如果采用在月球建设太空电梯的方案,可以使用当前已有的高强度材料,比如Zylon,这样就能解决材料问题。

Stephen Cohen是一名太空电梯爱好者,去年年底他曾刊文谈到自己对太空电梯的设想。Stephen Cohen认为:太空电梯会比我们想象的来得更早。

现在我们发射火箭还叫“执行太空任务”,有了太空电梯,前往太空就是“运输”,去太空成为平常事,不受天气影响。与火箭相比,太空电梯更安全。未来如果人类的太空电梯技术足够先进,可以桥接整个太阳系。

按照Stephen Cohen的设想,10万公里长的线缆可以从赤道伸向太空,另一端固定在卫星上,整套系统和地球一起转动。这样的设计相当于从卫星丢一根线缆到赤道,卫星会用燃料定期升高。

在引力和离心力的影响下,漫长线缆各处的受力是不同的。在地球同步轨道以下,引力占上风,在轨道之上离心力更强。所以张力会贯穿线缆始终,在地球同步轨道处达到最大。

如果想建设这样的太空电梯,材料强度必须比钢铁高50倍。现在的难题还是材料,我们只能慢慢等待。

目前科学家认为有两种材料可以用来建造太空电梯线缆,除了上面提到的碳纳米管,还有一种是石墨烯带。石墨烯带有很强的导电性,强度极高,单晶石墨烯片的强度约为钢铁的200倍,最高可达130 Gigapascals (GPa) 。

NASA曾经对石墨烯带的用途做过研究,科学家认为,有可能制造出千米级连续石墨烯纤维。2020年MIT研究人员曾展示一种新技术,用它可以每分钟制造出约2米长的石墨烯。

如果中国率先制造出太空电梯,你觉得会带来怎样的影响?(小刀)


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2023-02-07
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