建设太空城和太空电梯的可行性报告

建造太空电梯的难点在于找不到合适的电缆。要知道36000公里的长度,任何轻微的气流扰动都会让它摇摆,所以电缆必须经得起考验。碳纳米管可能是一个方向,但我担心它在这个长度上无法胜任。但是人类材料科学是向前发展的,不可否认未来是没有办法的。

而且“太空电梯”的目的是提供一种人和货物穿越地球大气层的方式,超越一些不使用火箭的设计。这个想法是由俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基在1895年首先提出的。

此后想法有所改进,但基本设置没变。电梯包括一根单芯电缆,锚定在地球上的一个固定点(通常在赤道),向上延伸超过地球静止轨道的高度——约35786公里。

缆绳的顶端是一个配重。相互平衡的重力和向外指向的离心力有助于将缆绳保持在良好的平衡和拉紧状态,并提供一条线,货舱或货舱可沿着该线快速上下移动。

这种想法的主要问题是,大型电缆上的压力将非常大,以至于目前没有足够坚固的电缆来承受它。除了要对抗地球引力,还要有足够的速度,否则走几天或几个月对人来说太多了,速度太快人体承受不了。磁悬浮管是单向的。

在过去的几十年中,已经有过几次旨在提供旨在克服这一问题的设计的大规模竞赛和提议,但是迄今为止它们都没有成功。上一次是在2014年,谷歌的开发部门Google X启动了一个项目,但是当发现当时还没有人能做出一根超过一米的碳纳米管电缆时,就搁置了这个想法。

碳纳米管是太空电梯工程师的希望,但2006年的一项研究提供的模型预测,长度约为654.38+百万公里的纳米管电缆中不可避免地会出现破坏性缺陷,这将使其整体强度降低约70%。

波佩斯库和孙在他们的新论文中提出了不同的方法。虽然理论上碳纳米管是太空电梯电缆的理想选择,但他们表示,目前其长度很难超过几厘米,因此并不实用。然而,他们指出,一些复合材料(主要是与其他材料合金化的碳纳米管)目前很弱,但“我们正在迅速接近稳定具有自我修复机制的大型结构所需的材料强度范围”。

自我修复机制很重要。研究人员提出了一种电缆解决方案——将电缆分成两个方向——向上形成一系列堆叠段;在侧面,它排列成一系列平行的细丝。当任何一根灯丝出现故障、发生故障时,它必须时不时地真正将影响限制在自己的部分,负载会立即在它的相邻部分之间分担,直到维修机器人进入维修并替换它。

研究人员写道,拥有“自主修复机制”可以确保在高重力水平下的可靠性,同时允许使用更轻的材料进行建造,从而使实际可行性更近一步。

在所有这些模型的基础上,波佩斯库和孙认为,新的空间电梯模型的基础是逐渐减小的应力比,它从工程标准水平转移到生物水平。他们指出,人类的肌腱和脊柱可以承受非常接近抗拉强度的巨大应力——比钢铁工程师允许的应力大得多。

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