《三體》中的太空電梯真的建不了嗎？肌腱和脊椎生物學機制或能解決技術瓶頸
點擊「國家空間科學中心」可以訂閱哦！
太空電梯向來是科幻作品的一個慣用橋段。但美國約翰斯·霍普金斯大學的一位數學家和一位機械工程師指出，如果建造者能夠從生物身上取經，細緻評估相關風險同時製造一批自主維修機器人，在不久的將來建造一部太空電梯並非不可能。
太空電梯藝術概念圖
在科幻作品中，我們經常看到太空電梯。實際上，美國宇航局和其它航天機構也一直在探討打造太空電梯的可行性。工程師普通認為這是一個很棒的想法，但當前的材料無法承受建造過程中的巨大應力和壓力。不過，總有不信邪的人存在。約翰斯?霍普金斯大學的數學家丹·普佩斯庫和機械工程師肖恩·孫便指出，只要建造者能夠從生物身上取經，細緻評估相關風險同時製造一批自主維修機器人，我們完全有可能在不久的將來建造一部太空電梯。
藝術概念圖，建在低地球軌道的太空電梯
研究過程中，普佩斯庫和肖恩對太空電梯工程進行建模。他們的模型是基於生物學結構（例如韌帶和肌腱）的最大應力與最大拉伸強度比率的計算結果。這個比值遠高於工程中使用的應力-強度比。在工程建造過程中，建築材料吸收應力的能力至少要達到應力破壞力的兩倍。研究論文刊登在預印本平台arXiv，等待同行評議。
普佩斯庫和肖恩指出，這樣的應力-強度比對普通的土木工程項目已經足夠，但巨型結構的要求太過嚴格，這樣的比率無法有效控制失效概率。太空電梯規模龐大，不亞於人類建造的任何巨型結構。
太空電梯藝術概念圖
太空電梯能夠將人員和貨物快速運到地球大氣層之外，某些太空電梯設計並不使用火箭。這一設想由俄羅斯科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基在1895年率先提出。在此之後，天空電梯的設計不斷精鍊，但基本要素並未發生改變。太空電梯採用一根固體在地球上的纜繩，通常是赤道地區，纜繩向上延伸直至地球靜止軌道，距地面大約35786公里。
纜繩的頂端是一個配重。引力和外向離心力之間的對抗讓纜繩處於緊繃狀態，上面的吊艙或者貨艙可沿著纜繩上下移動。建造太空電梯的主要挑戰在於，超長的纜繩面臨巨大應力，當前的任何材料都無法承受。
太空電梯能夠將人員和貨物快速運到地球大氣層之外
過去幾十年，一些大型設計比賽和提案接二連三登場，都希望能夠解決這個問題，但迄今為止，沒有一個設計取得成功。2014年，谷歌研發團隊GoogleX曾將目光投向太空電梯，但當時沒有人能夠製造超過1米的超強度碳納米管纜繩。意識到這一點後，Google X選擇了放棄。太空電梯工程師寄希望於碳納米管，但這種想法可能落空。根據2006年的一項建模研究，10萬米長的納米管纜繩將不可避免地存在缺陷，導致總體強度降低70%。
太空電梯藝術概念圖
論文中，普佩斯庫和肖恩提出了一種不同的解決方案。雖然碳納米管是理論上製造太空電梯纜繩的最佳選擇，但當前的技術無法製造出超過幾厘米長的碳納米管，讓這一方案不具有可行性。他們建議採用一些複合材料——碳納米管與其它材料相結合——雖然強度不及純碳納米管，但我們可以藉助自修復機制獲得所需強度，以確保巨型結構的穩定性。
太空電梯藝術概念圖
自修復機制至關重要。兩位研究員提議將纜繩方向一分為二——向上和側向，前者進入一系列堆棧段，後者進入一系列平行細絲。當任何細絲出現故障——這種情況不可避免——影響僅限於自身的堆棧段，負載立即由臨近段分擔，直至修理機器人抵達進行更換。他們在論文中指出自動修復機制能夠保證太空電梯在高應力條件下的可靠性，讓使用強度較弱的材料進行建造成為可能，進而讓建造太空電梯的夢想照進現實。
建造太空電梯的夢想何時才能照進現實？
普佩斯庫和肖恩指出這種模型的基礎是降低應力比，將目光從工程學標準轉向經常在生物身上發現的結構。人體跟腱和脊柱可以承受非常接近於自身抗拉強度的應力，遠遠超過工程師允許的鋼材受力極限。其主要原因在於，肌腱和脊椎至少在一定種程度上擁有自我修復能力，而這正是鋼材所欠缺的。
兩位研究員指出如果太空電梯在設計上具備這種能力，便無需等待超乎想像的材料學進步。他們在論文中說：「我們認為巨型結構的設計不僅要允許組件發生故障，同時還要具備自行修復機制，以替換破損的組件。這種設計能夠讓巨型結構在極高負載情況下正常運轉，而不會破壞其完整性。也就是說，我們完全可以利用現有材料建造太空電梯這樣的巨型結構。」
來源：漫步宇宙
TAG:國家空間科學中心 |