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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：本網整理來源：網易科技分享至：

太空電梯，長期以來一直是科幻作品是的主題，同時，也是美國宇航局（NASA）和其它機構研究項目之一。目前，工程師們達到了一個共識，他們普遍認為太空電梯是一個非常不錯的想法，但是構建太空電梯涉及到應力和張力作用，當前沒有適合的材料建造如此龐大的太空結構。

然而，來自美國約翰霍普金斯大學的兩位專家有了新的見解，他們分別是：數學家丹·波佩斯庫（Dan Popescu）和機械工程師肖恩·孫（Sean Sun），他們表示，在不久的將來建造一個太空電梯是完全有可能的，只要建造者從生物學獲取一些靈感，調整風險評估，并建造一些自動化修復機器人。

他們在Arxiv網站發表的一篇研究報告中模型設計了太空電梯，他們的計算是基于生物結構（韌帶和肌腱）最大應力和最大拉力強度比率得出的。這比工程設計中使用的應力-強度比率高出許多，在這種情況下，建造材料的承受力至少達到破壞力的兩倍以上。

波佩斯庫表示，像這樣的應力-強度比率對于普通土木工程項目而言是可以接受的，但是大型建筑結構要求較嚴格，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構之一。

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

從那之后，這個構想得到了進一步提升改進，但是基本的設計理念并沒有發生變化。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，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，曾有幾次大型設計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設計是成功的。最近提出的一個設計方案是2014年提出的，是谷歌公司Google X設計大賽，當時沒有人能夠成功制造出1米以上的超強度碳納米管，隨后這個構想便被擱置下來。

據了解，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年一項研究提供了一種設計模型，該模型預測在大約10萬公里長的碳納米管長度，將不可避免地存在缺陷，導致線纜整體強度降低大約70%。

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

自我修復機制是至關重要的，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；向側面，形成平行細絲。當任何細絲出現故障，事實上只要出現故障，就會不斷地出現問題，其影響僅限于局限部分，并且承力負載立即分配給鄰近的細絲，直到修復機器人進入，進行修復替換。

研究人員指出，“自動修復機制”可以確保高應力等級下的可靠性，同時允許建筑結構使用硬度較低的材料，使實際可行性更近一步。波佩斯庫認為，新型太空電梯模型的基礎是逐漸減小的應力比，從工程標準等級轉移至生物等級。他們強調，人類跟腱和脊椎能夠承受巨大壓力，承受極大的應力接近于它們的抗張強度，例如：它比鋼鐵承受的壓力強度更大。

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能力，它明顯不同于鋼鐵的強度特征。研究人員認為，將這種自我修復功能添加在太空電梯設計中，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：“我們認為一種超級結構設計不僅能允許組件出現故障，還可以通過自我修復機制取代損壞組件。這將使結構在不損壞其完整性的情況下，能夠以較高負載下運行，同時，這將使巨型建筑結構基于現有材料建造成為現實。”

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責任編輯：殷鵬飛

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