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太空电梯

时间:2021-10-29 18:09:05 阅读6 作者:博客会员

我们的征途是星辰大海。

从明朝时将自己绑在火箭椅上试图上天,却不幸在火箭爆炸中献出生命的万户,到 1903 年寒冬里乘坐自制飞机在空中飞行了 12 秒 36.5 米的莱特兄弟......古往今来,人类对头顶深邃的天空从未停止过好奇与向往。

当然,随着苏联宇航员加加林在 1961 年 4 月 12 日首次代表人类飞向了太空,以及此后越来越多的火箭和人类踏足太空,今天的人类似乎对此也习以为常了。

但是对于绝大多数的普通大众来说,今天太空仍旧是个只能抬头仰望的地方,原因无二,高昂的火箭发射成本使得上天这件事只能被用于科学研究或者是成为少数富人的玩物。

即使是目前马斯克的 SpaceX「猎鹰 9 号」(Falcon 9)因为其可回收利用的特性而能将火箭发射成本控制在平均 6200 万美元(约合 4.25 亿元人民币),这样的高价依然不是普通人能承受得起的。

▲猎鹰 9 号海上回收

不过据日本《每日新闻》报道,来自日本静冈大学工程学院的研究团队将在日本种子岛宇宙中心发射两颗小型卫星,并计划在两颗卫星之间长 10 米的线缆间进行测试,为之后能大幅削减人员、物资上天成本的「太空电梯」进行验证。

《三体》真的要来了么?

真·天梯

事实上,在 1895 年,苏联的火箭科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基受巴黎的埃菲尔铁塔启发,便提出了可以在地球静止轨道(地球赤道上空 35786 公里,在这个轨道上的航天器绕地一周的时间与地球自转时间相同)上建设一座通天塔,并通过缆绳和地面相连。

在过去的 100 多年中,这样的整体设计思路也没发生什么大的变化。

与船舶和海洋里的钻井平台一样,整个太空电梯装置在地面设有一个巨大的锚用于固定整个电梯的位置。而在太空里的另一端,则是一个用来提供拉力,将整个线缆绷紧的配重装置。至于在中间的,就是用来承载太空电梯上下运行的线缆了。

而在整个装置部署之后,乘客及货物可以搭乘电梯以每小时 200 公里的速度沿着线缆上天,整个行程大约为一周。

至于这样的太空电梯建成之后的好处,自然也就是上文中提到的可以压缩运输成本。据预计,使用太空电梯在地球和太空间往返的运输成本将从目前「猎鹰 9 号」的每公斤约 7000 美元下降至约 200 美元(约合 1370 元人民币)。而更低的成本则意味着在太空里更大的想象空间。

6 月 27 日,历经 4 年,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)的「隼鸟 2 号」探测器抵达了目标小行星「龙宫」附近,并将在进行 1 年多的观测和采集样本之后于 2020 年返回地球。

▲隼鸟 2 号

事实上,日本采集小行星样本的计划也只是全球各航天大国小行星采矿计划中的一部分。

去年,我国就公布了建设小行星基地的计划,并计划在 2020~2025 年间将机器人或宇航员送到小行星上,并将矿产带回地球;美国的 NASA 也计划于 2022 年发射飞行器前往「灵神星」小行星,值得一提的是,「灵神星」上的铁资源价值超过 1000 亿亿美元。

而如果太空电梯建成,它无疑将成为外星矿产与地球之间、人类与浩瀚的宇宙之间绝佳的中转站。

不过问题来了,既然这样的太空电梯能带来这么多好处,那为何在这个概念被提出的 100 多年后的今天,它仍然还处在测试验证阶段呢?

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这样一部太空电梯之所以迟迟造不出来,最大的原因莫过于线缆的材料了。

全长 30000 多公里,这样长度与重量给线缆带来的强度和轻质上的要求必然是在人类历史上从未有过的,此前研究太空电梯的科学家也均表示制造线缆的材料在地球上不存在。

随着材料科学的发展,现在看来碳纳米管似乎是一个可行的方案,不过目前的技术也只能造出零点几米的碳纳米管,更不用说用在从地面直达太空不能有一丁点瑕疵的超级工程了。

此外,假设在未来符合强度、重量标准的线缆被制造出来了,它在使用过程中还需要能抵御低层大气的大风、雷电、暴雨以及高层空间的辐射、太空垃圾等等。一旦线缆在低层断裂,整个上层的装置将像气球一样飞向太空;而若线缆在高层断裂,地球将拽着整条 30000 多公里的线缆四处乱甩,造成的后果也是可想而知的。

当然,除了目前的材料还满足以及太空电梯本身不能出任何故障的缺点,太空电梯的竞争对手火箭也在迎头追上。

上文中提到目前「猎鹰 9 号」的发射成本大概约为每公斤 7000 美元,相较每公斤 200 美元的太空电梯来说确实还有不少差距,不过相较于不可回收的火箭每公斤约 20000 美元的成本,「猎鹰 9 号」已经有了长足进步,而且未来的发展也值得期待,更不用说火箭拥有更强的环境适应能力以及更快的速度。

▲一周上天还是有点久

只能说,距离太空电梯真正到来的那一天或许还有些遥远。

Geek君有话说

古往今来,正是因为人类始终怀有「欲与天空试比高」的情怀才有了今天一艘艘突破大气飞向宇宙的飞船。无论这次日本进行的这次小型太空电梯测试能不能成功,或者最终版的太空电梯能不能投入使用,它们都同万户、莱特兄弟一样,是人类想象力、好奇心的结晶,为人类的航空航天事业带来了些许不同。

梦想还是要有的,万一未来按个键就能上天了呢?


上世纪八十年代初的科普杂志上好像有这样一个设想,记忆当中结论是可行的。太久了,记不太清楚。现在不能实施的原因除科技水平外,不外是材料、资金、由谁主导等。在成本比发射火箭还高的前提下,不可能提上实施进程。

在地球和太空之间建设一道电梯,可以更方便的往空间站输送物资,宇航员来往地球和太空更加方便、安全,但目前只能是设想,没有实现的可能。

一是直接用坚固的材料,从下往上建造,直到建设到几十甚至几百公里高。如果要建设这样的设备,设施底部可能需要较大的面积,并且材料是关键,不仅要承受自身强大的压力,还必须能抵抗气流的影响,避免因材料疲劳最终折断。

第二种是在地面上建设一个类似锚那样比较重的物体,然后利用兼具韧性和一定强度的纳米材料制成绳索,顶端设计一种能够悬浮在空中的设备,例如用高空探测气球,然后在绳索上安装一种类似缆车的设备,以此在太空和地面之间来往。比如在美国动画电影《超能陆战队》中就有类似的高空风能发电机。

这样的设备也要解决材料问题,再者高空空气稀薄,虽然大气层厚1000公里,但主大气层主要质量都集中在80公里以下,用什么样的“气球”才能提供足够的升力也很关键。也需要解决气流造成的设施摆动的问题。

建造这样的设施不单单对人力、物资有较大要求,更多的是技术上的要求,材料、建造技术等等,目前看来想要实现实在太困难,甚至可以说没什么实现可能。

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