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建造太空電梯遭遇材料難題，有人想出新方案克服

2018-06-19 11:42:20 作者：本網(wǎng)整理來源：網(wǎng)易科技分享至：

太空電梯，長期以來一直是科幻作品是的主題，同時(shí)，也是美國宇航局（NASA）和其它機(jī)構(gòu)研究項(xiàng)目之一。目前，工程師們達(dá)到了一個(gè)共識，他們普遍認(rèn)為太空電梯是一個(gè)非常不錯(cuò)的想法，但是構(gòu)建太空電梯涉及到應(yīng)力和張力作用，當(dāng)前沒有適合的材料建造如此龐大的太空結(jié)構(gòu)。

然而，來自美國約翰霍普金斯大學(xué)的兩位專家有了新的見解，他們分別是：數(shù)學(xué)家丹·波佩斯庫（Dan Popescu）和機(jī)械工程師肖恩·孫（Sean Sun），他們表示，在不久的將來建造一個(gè)太空電梯是完全有可能的，只要建造者從生物學(xué)獲取一些靈感，調(diào)整風(fēng)險(xiǎn)評估，并建造一些自動化修復(fù)機(jī)器人。

他們在Arxiv網(wǎng)站發(fā)表的一篇研究報(bào)告中模型設(shè)計(jì)了太空電梯，他們的計(jì)算是基于生物結(jié)構(gòu)（韌帶和肌腱）最大應(yīng)力和最大拉力強(qiáng)度比率得出的。這比工程設(shè)計(jì)中使用的應(yīng)力-強(qiáng)度比率高出許多，在這種情況下，建造材料的承受力至少達(dá)到破壞力的兩倍以上。

波佩斯庫表示，像這樣的應(yīng)力-強(qiáng)度比率對于普通土木工程項(xiàng)目而言是可以接受的，但是大型建筑結(jié)構(gòu)要求較嚴(yán)格，并且無法充分控制失敗的可能性。值得注意的是，太空電梯可能是人類未來建造最大的建筑結(jié)構(gòu)之一。

太空電梯的意義在于提供一種方法將人類和貨物運(yùn)送至地球大氣層之外，在一些設(shè)計(jì)方案中，必須使用火箭才能實(shí)現(xiàn)。太空電梯的概念最早是1895年由俄羅斯科學(xué)家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky）提出的。

從那之后，這個(gè)構(gòu)想得到了進(jìn)一步提升改進(jìn)，但是基本的設(shè)計(jì)理念并沒有發(fā)生變化。太空電梯包含一根單芯線纜，一端固定在地球上（通常是在赤道位置），向上延伸至地球靜止軌道高度，大約35786公里高度。

在線纜末端是一個(gè)平衡物，重力和向外離心力的相互作用，使得線纜處于較好的平衡緊繃狀態(tài)，保持一條直線，在這條直線線纜上，貨艙能夠上下快速移動。但是太空電梯存在的主要問題是施加在長線纜的壓力非常巨大，以至于目前沒有任何材料能夠承受。

在過去幾十年里，曾有幾次大型設(shè)計(jì)比賽和提議方案提出可能克服承受力問題，但是迄今為止沒有一個(gè)設(shè)計(jì)是成功的。最近提出的一個(gè)設(shè)計(jì)方案是2014年提出的，是谷歌公司Google X設(shè)計(jì)大賽，當(dāng)時(shí)沒有人能夠成功制造出1米以上的超強(qiáng)度碳納米管，隨后這個(gè)構(gòu)想便被擱置下來。

據(jù)了解，碳納米管是太空電梯工程師最大的希望，但是該希望非常渺茫。2006年一項(xiàng)研究提供了一種設(shè)計(jì)模型，該模型預(yù)測在大約10萬公里長的碳納米管長度，將不可避免地存在缺陷，導(dǎo)致線纜整體強(qiáng)度降低大約70%。

在最新研究報(bào)告中，波佩斯庫和同事提出了一種獨(dú)特的解決方案，雖然碳納米管從理論上講是太空電梯線纜的理想選擇，但事實(shí)上當(dāng)前很難制造長度超過幾厘米的碳納米管。他們強(qiáng)調(diào)稱，一些復(fù)合材料可以將碳納米管和其它材料結(jié)合在一起，這樣強(qiáng)度會減弱一些，但是我們正在快速接近滿足具有自修復(fù)機(jī)制超級建筑的材料強(qiáng)度范圍。

自我修復(fù)機(jī)制是至關(guān)重要的，研究人員提出一種分成兩種方向的線纜——向上，形成一系列堆棧段；向側(cè)面，形成平行細(xì)絲。當(dāng)任何細(xì)絲出現(xiàn)故障，事實(shí)上只要出現(xiàn)故障，就會不斷地出現(xiàn)問題，其影響僅限于局限部分，并且承力負(fù)載立即分配給鄰近的細(xì)絲，直到修復(fù)機(jī)器人進(jìn)入，進(jìn)行修復(fù)替換。

研究人員指出，“自動修復(fù)機(jī)制”可以確保高應(yīng)力等級下的可靠性，同時(shí)允許建筑結(jié)構(gòu)使用硬度較低的材料，使實(shí)際可行性更近一步。波佩斯庫認(rèn)為，新型太空電梯模型的基礎(chǔ)是逐漸減小的應(yīng)力比，從工程標(biāo)準(zhǔn)等級轉(zhuǎn)移至生物等級。他們強(qiáng)調(diào)，人類跟腱和脊椎能夠承受巨大壓力，承受極大的應(yīng)力接近于它們的抗張強(qiáng)度，例如：它比鋼鐵承受的壓力強(qiáng)度更大。

波佩斯庫提出太空電梯的主要原理至少在某種程度上接近于肌腱和脊椎的自我修復(fù)能力，它明顯不同于鋼鐵的強(qiáng)度特征。研究人員認(rèn)為，將這種自我修復(fù)功能添加在太空電梯設(shè)計(jì)中，意味著不再需要未來科技材料滿足人們的想像空間。

他們說：“我們認(rèn)為一種超級結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅能允許組件出現(xiàn)故障，還可以通過自我修復(fù)機(jī)制取代損壞組件。這將使結(jié)構(gòu)在不損壞其完整性的情況下，能夠以較高負(fù)載下運(yùn)行，同時(shí)，這將使巨型建筑結(jié)構(gòu)基于現(xiàn)有材料建造成為現(xiàn)實(shí)。”

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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