建造太空电梯遭遇材料难题，有人想出新方案克服
2018-06-19 11:42:20
作者：本网整理 来源：网易科技
太空电梯，长期以来一直是科幻作品是的主题，同时，也是美国宇航局（NASA）和其它机构研究项目之一。目前，工程师们达到了一个共识，他们普遍认为太空电梯是一个非常不错的想法，但是构建太空电梯涉及到应力和张力作用，当前没有适合的材料建造如此庞大的太空结构。
然而，来自美国约翰霍普金斯大学的两位专家有了新的见解，他们分别是：数学家丹·波佩斯库（Dan Popescu）和机械工程师肖恩·孙（Sean Sun），他们表示，在不久的将来建造一个太空电梯是完全有可能的，只要建造者从生物学获取一些灵感，调整风险评估，并建造一些自动化修复机器人。
他们在Arxiv网站发表的一篇研究报告中模型设计了太空电梯，他们的计算是基于生物结构（韧带和肌腱）最大应力和最大拉力强度比率得出的。这比工程设计中使用的应力-强度比率高出许多，在这种情况下，建造材料的承受力至少达到破坏力的两倍以上。
波佩斯库表示，像这样的应力-强度比率对于普通土木工程项目而言是可以接受的，但是大型建筑结构要求较严格，并且无法充分控制失败的可能性。值得注意的是，太空电梯可能是人类未来建造最大的建筑结构之一。
太空电梯的意义在于提供一种方法将人类和货物运送至地球大气层之外，在一些设计方案中，必须使用火箭才能实现。太空电梯的概念最早是1895年由俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky）提出的。
从那之后，这个构想得到了进一步提升改进，但是基本的设计理念并没有发生变化。太空电梯包含一根单芯线缆，一端固定在地球上（通常是在赤道位置），向上延伸至地球静止轨道高度，大约35786公里高度。
在线缆末端是一个平衡物，重力和向外离心力的相互作用，使得线缆处于较好的平衡紧绷状态，保持一条直线，在这条直线线缆上，货舱能够上下快速移动。但是太空电梯存在的主要问题是施加在长线缆的压力非常巨大，以至于目前没有任何材料能够承受。
在过去几十年里，曾有几次大型设计比赛和提议方案提出可能克服承受力问题，但是迄今为止没有一个设计是成功的。最近提出的一个设计方案是2014年提出的，是谷歌公司Google X设计大赛，当时没有人能够成功制造出1米以上的超强度碳纳米管，随后这个构想便被搁置下来。
据了解，碳纳米管是太空电梯工程师最大的希望，但是该希望非常渺茫。2006年一项研究提供了一种设计模型，该模型预测在大约10万公里长的碳纳米管长度，将不可避免地存在缺陷，导致线缆整体强度降低大约70%。
在最新研究报告中，波佩斯库和同事提出了一种独特的解决方案，虽然碳纳米管从理论上讲是太空电梯线缆的理想选择，但事实上当前很难制造长度超过几厘米的碳纳米管。他们强调称，一些复合材料可以将碳纳米管和其它材料结合在一起，这样强度会减弱一些，但是我们正在快速接近满足具有自修复机制超级建筑的材料强度范围。
自我修复机制是至关重要的，研究人员提出一种分成两种方向的线缆——向上，形成一系列堆栈段；向侧面，形成平行细丝。当任何细丝出现故障，事实上只要出现故障，就会不断地出现问题，其影响仅限于局限部分，并且承力负载立即分配给邻近的细丝，直到修复机器人进入，进行修复替换。
研究人员指出，“自动修复机制”可以确保高应力等级下的可靠性，同时允许建筑结构使用硬度较低的材料，使实际可行性更近一步。波佩斯库认为，新型太空电梯模型的基础是逐渐减小的应力比，从工程标准等级转移至生物等级。他们强调，人类跟腱和脊椎能够承受巨大压力，承受极大的应力接近于它们的抗张强度，例如：它比钢铁承受的压力强度更大。
波佩斯库提出太空电梯的主要原理至少在某种程度上接近于肌腱和脊椎的自我修复能力，它明显不同于钢铁的强度特征。研究人员认为，将这种自我修复功能添加在太空电梯设计中，意味着不再需要未来科技材料满足人们的想像空间。
他们说：“我们认为一种超级结构设计不仅能允许组件出现故障，还可以通过自我修复机制取代损坏组件。这将使结构在不损坏其完整性的情况下，能够以较高负载下运行，同时，这将使巨型建筑结构基于现有材料建造成为现实。”
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