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科技咖啡馆|2050年,乘着“电梯” 就能进太空? 日本通过“太空电梯”实现机器人跳伞
来源:新华社 2018-08-22 09:40:20

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 日本设想的“太空电梯”设计图。

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制造电缆的材料是比铁轻的强力“碳纳米”
搭上电梯,就能穿梭在蔚蓝的地球与深邃的太空中……这听起来似乎是科幻小说的情节。但随着科学的进步,“太空电梯”也许会成为现实。14日,日本成功实现了机器人从“电梯”空中跳伞降落至地面,模拟了机器人未来在其他行星着陆的场面。

  实验

  让机器人通过电梯 跳伞模拟降落火星

  14日,日本太空电梯协会在福岛县一个试验场进行了太空电梯试验并在社交网站上介绍了全过程。一个白色巨大气球垂着线缆飘在高空,升降机搭载机器人在强风中沿线缆高速升至距地面数十米处。随后,机器人从升降机中跳下并在空中打开降落伞着陆。日本太空电梯协会目标是到2050年建设高度可达10万千米的太空电梯,进行太空货物输送、太空采矿等。日本太空电梯协会会长大野修一认为太空电梯将是人类探索太空资源的必要工具。即使升降机真的能到达太空,但如果要降落在月球或其他行星上比如火星,还要解决许多技术性问题。通过此次实验,实验团队试图寻求使用降落伞和逆向喷射等安全着陆的方法。

  解读

  有了它,太空之旅只要7天

  2007年,日本率先设立由专家组成的“太空电梯协会”,并对此展开研究。太空电梯可在赤道附近以时速200公里的速度上升,直到抵达36000公里外所建造的居住和研究设施内。这些设施以太阳能发电来获取能源。

  而根据日本科学家的计划,这座大型的太空电梯从地面出发一直延伸到96000公里外的太空,这是什么概念呢,这个拉伸距离约为地球和月球距离的1/4。

  2009年,日本教授青木试制了一台名为“登山者”的电梯。2013年,他在富士山山麓做了实验,使“登山者”升到了地上1200米的高度。但由于日本法律的限制,不可能进行更高海拔高度的测试,现在已经转移到美国内华达州黑岩沙漠,以进行更高高度的太空电梯研究。

  2011年,大型建筑公司大林组打造研究“太空电梯”的团队,青木教授担任工程主管。青木教授计划在2019年实现1万米高度的升降测试,到2020年将实现2万米高度的升降测试,预计2050年完成这个项目。

  众所周知,我们现在要进入外太空只能依靠火箭运输,然而火箭运输货物的成本平均1千克约为1万美金。

  日本的太空电梯计划预计约耗资100亿美元,这可能是全球最昂贵的建筑项目了,但还是远远少于航天飞机和国际空间站计划投资的,在运输成本上也要便宜很多,平均运送1公斤货物航天飞机约花费2.2万美元,而 “太空电梯”仅花费200美元。

  如果建造成功后,磁力线性电动机驱动的机动车将人员和货物运送到新建的空间站,该电梯一次可携带30人左右,时速200公里,到达太空的旅程需要7天左右的时间。一旦太空电梯成为现实,普通人进入太空旅行将成为可能。

  难题

  哪里去找这么强的电缆?

  不过,工程面临着堆积如山的难题。例如,缆绳需要用新型材料比铁轻的强力“碳纳米”(CNT)制作,但以研究团队目前的技术,根本做不出足够长的缆绳。要制造长约9.6万公里的电缆,需要使用CNT结晶,但目前的技术只能将CNT制成最薄的3厘米。要制造如此长的电缆,需要2至3个研发团队。

  与火箭发射飞船需要摆脱地球引力的速度不同,由于“太空电梯”的中转站和电缆与同步卫星一样绕地球转动,因此只要将飞船运送至中转站放出,飞船就可以像被投出去的链球一样获得摆脱地球引力的速度。

  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,美国科学家波佩斯库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。

  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,能够在较高负载下运行,同时,这将使巨型建筑结构基于现有材料建造成为现实。”

  新华社 宗合

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