乘天梯去“太空一日游”的梦想不再遥远

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发布日期:2017年04月10日 所属分类:新知

希腊神话中曾提到一架梦想中的梯子——雅各布天梯,它将人们从地面到天空的道路打通,据说雅各布就是在梦中沿着这架梯子上天取得了“圣火”。

我国古代有一个关于“昆仑天梯”的神话:传说在高峻巍峨的昆仑山顶峰上,有一株大树叫作建木。这株树紫褐色的树干笔直地插向蓝天,在树顶上伸出无数枝条,向四周伸展,并长着万年常青的绿叶,开着千载不谢的花,结着永不枯落的金果。谁要是能沿着这棵大树攀登到顶,就能进入天庭,得道成仙。

2015年大热的科幻小说《三体》也曾多次提及“太空电梯”。

乘天梯去“太空一日游”的梦想不再遥远

目前全球已有数个“天梯”项目正在积极进行中。

人类对外太空的向往,从古至今都有“执念”,一直设想着搭建“天梯”的种种可能。但经过上百年的开发与研究,这个梦想至今仍未能实现。不过,近年随着新材料科学的发展,“天梯”终于开始一步步走进现实。

运输成本将缩减 可由每公斤2万美元降至500美元

最早真正从实际操作的可能性出发提出“天梯”概念的人,应该还是俄罗斯火箭专家齐奥尔科夫斯基。他从巴黎的埃菲尔铁塔得到灵感,在1895年时大胆地提出,可以在环地球的一个静止轨道上建设一个“太空城堡”,把城堡和地球表面用一根缆绳连接起来,就可以成为一架“天梯”。所谓“环地球的静止轨道”,其实就是从地球发射的航天器在环绕地球运行时,刚好与地球的自转同步,于是它的运行轨道就形成一个与地面相对静止的轨道。从地面上看,该航天器就像固定在地球上空某个位置一动不动。

在当时,齐奥尔科夫斯基的想法只能是个设想,无法付诸实践。

但齐奥尔科夫斯基的想法吸引了无数科学家的目光,英国伦敦大学学院高度、空间和极端环境医学中心创始人凯文·方曾在接受英国广播公司(BBC)的采访时说:“我能理解人们为什么被太空电梯的概念吸引。如果我们能以廉价和安全的方式进入太空,整个太阳系都将会成为我们的囊中之物。”

的确,据国际宇航科学院(IAA)报告统计:一旦太空电梯建立,负载进入太空的成本可由每公斤20000美元下降至500美元。这主要是因为,目前的运载火箭上,燃料需占80%的空间,14%的空间为火箭主要结构,其实只有6%可以载人与货物,而且火箭的发射以及回收成本都相当高。

加拿大的托特技术公司也估算过,太空电梯如果能得以应用,航天飞机的太空飞行成本能节省大约三分之一,同时还能大大地提高人类造访太空的频率。

为此,目前全球已有数个“天梯”项目正在积极进行中。

建造材料仍高昂 一架天梯恐耗资70亿-100亿美元

1991年,日本研究员意外地发现一种新型材料碳纳米管。它具有拉伸强度高、抗形变力强等极佳的力学性能,强度可达到钢铁的100倍以上,同时它的重量又很轻,同等体积的碳纳米管只有钢铁的几百分之一甚至几千分之一,直径1毫米的碳纳米绳便可以承载60吨的重量,因此它迅速被科学家们公认为是“制作天梯的最理想材料”。然而这种材料非常昂贵,每克已价值500美元。而“天梯”的规模显然将远远超出人类目前能够建造的任何一种大型建筑或工业器件,使用的材料的规模也会极大。那么,就算材料质量已不成问题,一架“天梯”的造价也将非常惊人。

1999年,受美国国家航空航天局(NASA)资助,洛斯阿拉莫斯国家实验所的布拉德利·爱德华兹博士制订出“使用新型碳材料制造太空电梯”的方案,并发布了“用碳纳米管材料制作太空电梯”的可行性报告。他指出,一架这样的“天梯”成本应为70亿-100亿美元,这仍然会远远低于那些大型的太空项目。

2005年3月23日,NASA宣布太空电梯已成为“世纪挑战”的首选项目,至今每年都会举行“机器人攀爬缆绳”和“测试缆绳强度”这两项赛事来检验实验成果。

但2014年,Google X的快速评估研发团队发现,目前还没有人制造出超过一米的完美的碳纳米管链。而保守估计,搭好一架“天梯”需要上百万吨的纳米材料,长度达到3.6万米以上;不过同年9月,美国科学家约翰·巴丁又在《自然材料》上发表文章称:他们研发出超细、超坚固的纳米线,比之前发现的碳纳米管更坚固更牢靠,可以用于制造超级坚固的轻型绳索来搭建太空电梯。于是,“天梯”的项目很快又一次引起美国NASA与欧洲航天局(ESA)等研究机构的重视。

新材料性能优异 1毫米直径细丝能吊450公斤重量

值得一提的是,在此进程中,还出现了另一种“天梯”搭建材料——“柴隆”纤维。

在20世纪80年代,美国为发展航天航空事业而开发了一种复合材料用的增强纤维,化学成分叫作聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)。它具有十分优异的力学性能和物化性能,目前已经普遍应用于防弹衣制造中。这种超轻纤维所做的1毫米直径的细丝就能吊起450公斤的重量,从力学、耐热、阻燃性能等各方面来看,它都具备了用来打造“天梯”缆绳的条件。相比于碳纳米绳,它在原料价格和加工成本上也低得多。所以,当日本东洋纺公司于2004年实现了PBO纤维的工业化生产,并将它命名为“柴隆”后,它也被纳入了科学家们打造“天梯”的计划中。

然而“柴隆”纤维有一个致命弱点——它降解得太快。而“天梯”的缆绳显然不像很多电梯的简单部件那样,可以在失效之前随时更换。

看看各国科学家们的实践

不妨设想一下,如果“天梯”真的按计划搭建成功,我们甚至可以在一日之内往返于地球表面与离地表至少10万公里的外太空,完成“太空一日游”。如果不算搭建成本,这一趟往返成本可能比我们现在乘坐一次长途客运飞机还要便宜。那时人类文明将进入一个全新的“太空时代”,或许这也是科学家们积极研发“天梯”的动力之一吧。

美国的“月亮天梯”

至少需5万公里长缆绳,一次可运送30名乘客

据美国《今日宇宙》2011年7月26日报道,美国企业家迈克尔·莱恩在2003年成立了LiftPort公司,投入巨资研究从地球通往太空的“天梯”。目前他们的工作重心便是搭建从月亮到地球的“月亮天梯”。莱恩甚至宣称:“在5年到10年内,我们将实现‘月球天梯’的梦想。”

其设想是这样的:用一条长长的缆绳,一端固定在地球上,另一端固定在与地球同步轨道的平衡飞行器上;而在地球和月球之间,存在若干“拉格朗日点”,利用它们与地球和月球的相对位置是基本不变的这一特点,再从月球上固定长长的缆绳,与这些点连接;在引力和向心加速度的相互作用下,这些缆绳都将被绷紧,成为可以运输的路线,电梯梯厢(或者可叫作太空轻轨车)可以利用太阳能或激光能沿缆绳上下运动;人们在地球上的登梯点上天梯,在到达与地球同步轨道的平衡飞行器上后,经过转乘,登上直达月球的电梯,就能顺利到达月球了。

月球天梯至少需要长达5万公里的缆绳。而在正常情况下,太空梯可以一次运送30名乘客,在6个小时内就能抵达10万公里外的太空。如果搭建成功,每磅货物运输成本不过数百美元。这一计划也受到了美国宇航局的高度重视。

日本的“太空电梯”

预计于2050年完成项目,缆线约有9.6万公里长

日本大林建设公司2012年首次提出“天梯”计划,声称能在2025年开始建造一架太空电梯,预计在2050年便能完成一个完整的建造项目,他们设计的太空电梯缆线全长将为地球到月球距离的1/4,约有9.6万公里。设计者称,该“天梯”的梯厢可乘坐30人,如果以每小时200公里的速度运行,升到3.6万公里的高空要花去7天时间。对比之下,同样的距离,一架太空飞船只要一个多小时就走完了。

加拿大的“塔状天梯”

具有独立塔状结构,比迪拜塔还要高出20倍

目前地球上运程最长的迪拜哈利法塔电梯已长达800多米。而2015年8月,英国《每日邮报》报道称,加拿大的托特公司正在计划建造一个高度约两万米的“塔状天梯”。该公司已获得一项美国专利权,用于建造独立塔状结构,可从地球表面向空中延伸至万米。如果真的建成,这个太空塔的高度将成为“全世界上最高建筑物”,比迪拜塔还要高出20倍。

俄罗斯的“货运天梯”

从太空舱将缆绳送回地球,巧妙完成运货

据俄罗斯《真理报》报道,“天梯”这个设想将在最近几年有突破性进展。受欧洲太空署委托,俄罗斯萨马拉太空大学的科学家一直在研究建造这种可以把许多物品从国际空间站送回地球的装置。报道中称,俄罗斯科学家的该研究工作已进行到收尾阶段。这部“货运天梯”的主要工作原理其实并不复杂,装有货物的太空舱将通过一根从太空站延伸出来的30公里长的特别牢固的缆绳送回地球。缆绳重量不会超过6公斤,自然需要用特别材料制成。当其进入大气层后,缆绳会燃烧,货物则接着依靠自带气球的托力,继续缓缓地落向地球。(羊城晚报)

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