纜帶人類的通天塔:太空電梯能變成現(xiàn)實(shí)嗎?它的原理又是怎樣的？ https://p.ssl.img.36

太空電梯的工作原理

文章插圖

在這個(gè)藝術(shù)家的概念中，升降機(jī)將能夠攜帶多達(dá)13噸的貨物進(jìn)入太空，由激光束推動(dòng)。更多的太空探索圖片。（圖源：LIFTPORT GROUP）
1981年4月12日，哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)從佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心升空，開始了第一次航天飛行任務(wù)，也意味著可重復(fù)使用航天器的夢(mèng)想實(shí)現(xiàn)了。從那以后，美國(guó)航天局已經(jīng)完成了100多次太空任務(wù)的發(fā)射，但航空任務(wù)的花費(fèi)變化不大。無(wú)論是航天飛機(jī)還是不可重復(fù)使用的俄羅斯航天器，一次發(fā)射成本約為每磅1萬(wàn)美元（每公斤2.2萬(wàn)美元）。

文章插圖

正在開發(fā)的一種新的空間運(yùn)輸系統(tǒng)可以使前往靜地軌道（GEO）的旅行變得更稀疏平常，并且能使全球經(jīng)濟(jì)有所改觀。
由碳納米管復(fù)合材料帶制成的太空電梯被固定在一個(gè)近海平臺(tái)上，由一個(gè)小型配重延伸至太空，長(zhǎng)約62000英里（100000公里）。然后，附著在纜帶上的機(jī)械升降器會(huì)沿著纜帶爬升，將貨物和人類送入太空，成本僅為每磅100至400美元（每公斤220至880美元）。
在這篇文章中，我們將了解到太空電梯的概念是如何從科幻小說(shuō)走向現(xiàn)實(shí)生活的。
太空電梯纜帶
【 纜帶|人類的通天塔:太空電梯能變成現(xiàn)實(shí)嗎?它的原理又是怎樣的？】
文章插圖

太空電梯末端的配重物將使碳納米管纜帶保持緊繃狀態(tài)。（圖片來(lái)源：LIFTPORT GROUP）
為了更好地理解太空電梯的概念，我們聯(lián)想一種繩球游戲，繩子一端系在一根桿上，另一端系在一個(gè)球上。通過(guò)這個(gè)類比，那么繩子是碳納米管復(fù)合纜帶，桿是地球，球是配重物。現(xiàn)在，想象一下，球不斷地繞著桿子高速旋轉(zhuǎn)，使繩子保持緊繃狀態(tài)。這就是太空電梯的大體構(gòu)想。配重物繞著地球高速旋轉(zhuǎn)，使纜帶保持繃直，自動(dòng)升降機(jī)在纜帶上上下移動(dòng)。

文章插圖

根據(jù)LiftPort提出的設(shè)計(jì)，太空電梯的高度大約為6.2萬(wàn)英里（10萬(wàn)公里）。LiftPort是為太空電梯及其零件進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)的幾家公司之一。來(lái)自世界各地的團(tuán)隊(duì)在2006年10月，新墨西哥州拉斯克魯斯，舉行的X獎(jiǎng)杯太空電梯比賽中爭(zhēng)奪40萬(wàn)美元的一等獎(jiǎng)。

文章插圖

電梯的核心部件是碳納米管復(fù)合材料纜帶，它只有幾厘米寬，幾乎和一張紙一樣薄。1991年發(fā)現(xiàn)的碳納米管讓科學(xué)家們相信太空電梯是可以被建造出來(lái)的。據(jù)太空發(fā)展基金會(huì)的布拉德利·愛德華茲博士說(shuō)：“過(guò)去，在材料方面面臨的挑戰(zhàn)太大了。但現(xiàn)在我們?cè)谥圃焯技{米管和建造相應(yīng)的機(jī)器方面已經(jīng)越來(lái)越先進(jìn)，這些機(jī)器可以將材料拉伸出足夠的長(zhǎng)度，用以制作延伸至太空的纜帶。”

文章插圖

根據(jù)一些早期的計(jì)劃，剩余的建筑材料將被用制作成配重物。（圖源：LIFTPORT GROUP）
碳納米管的強(qiáng)度可能是鋼的100倍，并且具有塑料的柔韌性。這種強(qiáng)度來(lái)源于其類似于足球的獨(dú)特結(jié)構(gòu)。一旦科學(xué)家們能夠?qū)⑻技{米管制成纖維，就有可能制造出用于制作太空電梯纜帶的線。以前可用的材料要么強(qiáng)度不足要么就是柔韌度不夠，無(wú)法制成纜帶，而且很容易斷裂。
LiftPort集團(tuán)研究總監(jiān)湯姆·紐金特說(shuō)：“它們的彈性模數(shù)非常高，抗拉強(qiáng)度也非常高，這一切都說(shuō)明，這種材料理論上應(yīng)該能使太空電梯的建造相對(duì)容易一些。”

文章插圖

一條纜帶有兩種制作方式：

將長(zhǎng)碳納米管——幾米長(zhǎng)或更長(zhǎng)，編織成類似于繩子的結(jié)構(gòu)。截至2005年，最長(zhǎng)的納米管仍然只有幾厘米長(zhǎng)。
較短的納米管能被放置于聚合物基質(zhì)中。目前的聚合物不能很好地與碳納米管結(jié)合，這導(dǎo)致了碳納米管處于張力下時(shí)基質(zhì)被拉離。

如果一條長(zhǎng)碳納米管纜帶能被制造出來(lái)，它會(huì)被卷成一個(gè)線軸，然后送入軌道。當(dāng)運(yùn)載著線軸的宇宙飛船到達(dá)一定高度，比如低地球軌道時(shí)，它就會(huì)開始解開線軸，將纜帶一端下降放回地球。同時(shí)，線軸將繼續(xù)向更高的高度移動(dòng)。當(dāng)纜帶降到地球大氣層時(shí)，它會(huì)被捕獲，然后降落并錨定在海洋中的移動(dòng)平臺(tái)上。