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太空梯——碳纳米材料将科幻变为可能

(2021-04-15 14:54:19)
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科苑逸闻集萃

太空梯

乔阿光

科普文章

分类: 科苑逸闻

到宇宙去遨游一直是人类的梦想。但至今人类都是用火箭把载人飞船送上太空的。但这个方法费钱费时费事。有没有更直接的办法呢?有,请看……

太空梯——碳纳米材料将科幻变为可能

  《科技日报》2002年9月30日

  《北京青年报·前沿新知》2002年10月7日

  乔阿光编译

 

太空梯——碳纳米材料将科幻变为可能

   “可上九天揽月,可下五洋捉鳖”,上天遨游宇宙是人类的梦想。现在我们进入太空用的是化学火箭发射的宇宙飞船,正在试验的有太阳风帆。要想到太阳系外游览,还需加快飞船速度,核子火箭、光子火箭、电磁火箭、光帆都在试验和设想中。更离奇的处在幻想阶段的宇宙旅行方式还有量子超距传送。即将人体或物体分解成基本粒子,利用神秘的量子远距效应,把原型量子性质传送出去,瞬间即可到达目的地,再把这些子合成人体或物体。


太空梯——碳纳米材料将科幻变为可能


  有了梦想,才有实现的可能,科幻从来就是现代科技的先驱。现在的宇宙飞船就是在科幻小说的基础上,由宇航先驱——俄罗斯的齐奥尔科夫斯基最先提出来的。

  而让人造卫星放下梯子以建立“登天之塔”则是在1979英国著名科幻作家阿瑟·克拉克的小说《天堂的喷泉》中提出来的。他设想在地球赤道上空的一颗地球同步轨道卫星上向下伸展出一个梯子,由于同步卫星在天空中相对地面没有移动,所以人类可以乘坐电梯到达近地宇宙空间做观光旅游。当有人问他需要多少时间才能实现太空梯的梦想,他说,在大家停止这个方案后的50年。

    从理论上讲,太空梯并不神奇。在地球赤道的海面上建造一个平台,用飞船放下一条长达10万公里的绳索,把它锚定在平台上,随着地球一起旋转,由于旋转所产生的离心力刚好抵消了地球的吸引力,它便得到了一个向外的张力,于是,太空梯就从地球到太空竖直起来了。它就像你在头顶上甩动一根一头栓着小球的绳子一样。然后,用一个由激光提供能量的爬升器在缆绳上上下移动,运送飞船、建筑材料甚至乘客。

  但是难就难在制造这根绳子的材料,它要异常坚硬又要异常轻巧,还要能抵抗任何腐蚀。为了这个曾被称为无法得到的材料,科学家们足足等了几十年。直到1991NEC公司的日本科学家饭岛住男发现了现在叫做纳米管的材料,事情才有了转机。进一步的研究发现碳纳米管有意想不到的性质,它比钢坚硬100倍,重量却只有钢的五分之一。现在碳纳米管已经走出实验室,进入实用阶段。可用它制成合成物,这样至少在理论上已经解决了太空梯的材料问题。不过一位材料工程师认为目前还没有掌握大规模的生产太空梯所需要的合成物质的技术,现在正在进行将这种物质从实验室走向实用的工作。

太空梯——碳纳米材料将科幻变为可能


有了材料,如何来制造太空梯呢?科学家们设想,先把一个携带太空梯半成品的飞船或航天飞机发射到和地球同步的静止卫星所在的轨道上,使其和地球同步飞行。把这个半成品的太空梯从飞船上放下来,落到在赤道海面上的平台上。这个平台类似一般的海上发射卫星或飞船的平台。把半成品的太空梯锚定在平台上。然后,飞船就漂浮在上面。接着再用一个由激光束提供能量的爬升器在这个太空梯的半成品上上下移动把其它建造太空梯的缆绳拧在这个太空梯半成品上,进一步建造太空梯,这大约要用两年半的时间。这样,太空梯才最后建成。

  建成后这个爬升器就可以沿着太空梯把物资、成吨重的卫星甚至人缓缓运送到离地面36000公里的近地轨道上,时间大约需要七天半左右,回来也大约需要这么长的时间。进一步还可以建造通向月球,甚至火星的行星际太空梯,到那时在太阳系里遨游就不是难事,而且价格低廉。目前估计需要几百美元运送一磅,将来争取实现用很少的美元就可以运送一磅物资。这样就可以解决当前困扰航天飞行的高昂的价格问题。

  当然,太空梯要抵御的灾难也不少。闪电和风云雨雪的冲击,穿越电离层的考验,小行星、彗星、流星的奔袭,原子氧和高层大气中的硫酸对缆绳的侵蚀,和卫星、太空碎片的碰撞,再加上人类之间没完没了的自相残杀,难保不会有人打太空梯的主意。而这种碳纳米管对人类健康的影响也要考虑在内。这些问题都需要研究者加以考虑。近期就要开展把碳纳米管放在电离层中的试验。

今年一群有志于此的工程师和有战略眼光的投资家合作开办了一家位于西雅图的高升系统公司,它主动挑起了制造太空梯的重担。目前美国航空航天局的高级设计研究所已投资制造太空梯。全部资金大约需要70到100亿美元。

  8月12—13日,在华盛顿州的西雅图市召开了第一届国际太空梯会议,到会的专家来自各个领域,从材料科学、桥梁建造、航天技术到法律、商业和财经应有尽有。

  高升系统公司的专家认为第一架太空梯将在下一个十年建成。有的专家则说从这次会议召开之日起,可望十五年内竖起第一架太空梯。

  

编译自2002年8月19日由资深航天作家Leonard David写的《Going Up? Private Group Begins Work on Space Elevator》(怎么升天?私人集团开始研制太空梯)等文章。

后记:2004年,英国剑桥大学科学家阿兰·温德尔领导的研究小组曾宣布,他们成功地用碳纳米管组成的纤维织成了“纳米绳”。2004年6月30日,在华盛顿召开的第三届国际太空梯会议上,专家们对太空梯这一宏伟构想进行了探讨。时隔仅仅9个月,2005年3月23日,美国宇航局正式宣布太空天梯已成为世纪挑战的首选项目。美国一个由美国航空航天局前工程师组成的太空电梯公司准备建造一个从地球经过空间站通向月球的太空梯。此外日本和俄罗斯也有建造太空梯的计划。

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