太空電梯將成真！肌腱和脊椎生物學機制讓設計更合理

北京時間6月11日消息，據國外媒體報道，長期以來，太空電梯是脫離現實生活，出現在科幻小說中的主題內容之一，同時，這也是美國宇航局和其他機構進行可行性研究的課題。目前工程師達到的共識是，太空電梯是一個非常好的構想，但是建造過程中涉及到承受巨大的應力和壓力，現有材料無法符合其要求。

美國約翰__霍普金斯大學的一位數學家和一位機械工程師提出，只要電梯製造商採用更多的生物學技術，調整風險評估，並建造一些自動維修機器人，不久將來建造一部太空電梯是完全可能的。

然而，美國約翰·霍普金斯大學的一位數學家和一位機械工程師提出，只要電梯製造商採用更多的生物學技術，調整風險評估，並建造一些自動維修機器人，不久將來建造一部太空電梯是完全可能的。

在一篇研究報告中，作者丹·普佩斯庫（Dan Popescu）和肖恩·孫（Sean Sun）模擬了太空電梯設計，他們是基於生物結構（例如：韌帶和肌腱）發現最大應力與最大拉伸強度的比率計算得出的。這比工程中使用的應力-強度比率高許多，該材料吸收作用力的能力至少是破壞作用力的兩倍。

研究人員指出，像這樣的應力-強度比率對於正常的土木工程項目而言是可以接受的，但對於大型建築來講，這個比例太過嚴格，無法控制失效概率。值得注意的是，太空電梯非常大，可能是人類建造的最大建築結構。

建造太空電梯能讓人類和太空物資運送至地球大氣層之外，在一些太空電梯設計中，並未提及必須使用火箭。最早的太空電梯構想是1895年俄羅斯科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky）提出的。

從1895年開始，科學家們便開始不斷地提煉更新太空電梯設計，但是電梯的基本設計並未出現變化。太空電梯包含一根固體在地球上的纜繩，通常電梯向上延伸至地球靜止軌道——距離地面大約35786公里。

在纜繩的頂部末端是一個平衡物，重力和向外方向的離心力使纜繩處於緊繃狀態，沿著纜繩放置一個貨艙，可沿著纜繩上下移動。這個太空電梯存在的主要問題是——對超長纜繩施加壓力如此大，以至於當前沒有任何事物足以承受它。

在過去幾十年里，已有一些大型設計比賽和提議方案用於解決這個問題，但迄今為止，沒有一個方案是成功的。最近提出的解決方案是2014年谷歌公司開展的「Google X」項目，但當時沒有人能夠製造超過1米長的超強度碳納米管纜繩，太空電梯建造的方案被擱置了。

據了解，碳納米管是太空電梯工程師的巨大希望，但是這種希望可能會破滅。2006年一項研究模型預測稱，在大約10萬米長的納米管纜繩中必然存在一定的缺陷，從而使纜繩整體強度降低70%。

普佩斯庫在研究報告中提出了一種不同的解決方法，雖然碳納米管從理論上是太空電梯纜繩的最佳選擇，但是當前技術無法製造超過幾厘米長度的碳納米管，因此用碳納米管製造太空電梯是不太可能的。然而，他提出採用一些複合材料——碳納米管與其它材料結合在一起，雖然強度比純碳納米管弱一些，但是我們正在採用自行修復機制增強材料強度，確保超級建築的穩定性。

這種自修復機制是至關重要的，研究人員提出一種纜繩設計，將它的方向一分為二，向上，進入一系列「堆棧段（stacked segments）」；側向，進入一系列「平行纜繩細絲（parallel filaments）」。當任何纜繩細絲出現故障，事實上這種情況會經常發生，其影響力僅限於其自身的堆棧段，負載重量立即分擔至平行纜繩，直到修理機器人到達進行替換為止。

研究人員指出，擁有這種「自動修復機制（autonomous repair mechanism）」，太空電梯能夠在高應力水平下確保可靠性，同時，也可採用強度稍低的材料製造，使實際可行性更加接近。

普佩斯庫指出，所有這些太空電梯模型的基礎是逐漸降低的應力比，工程設計標準與生物學原理相結合。他強調稱，人體跟腱和脊柱可以承受巨大應力，非常接近於它們的抗拉強度，這要比工程師設計的鋼鐵所承受應力強度更大。

其主要原因在於，至少在某種程度上，肌腱和脊椎擁有自我修復能力，這是鋼鐵材質所缺少的。研究人員認為，將肌腱和脊椎的生物學機制添加到太空電梯設計中，意味著我們無需等待未來派新型材料。

普佩斯庫說：「我們認為像太空電梯這樣的超級大型建築結構設計，要充分考慮到組件可能出現故障，還需要一套自我修復機制用於替換受損組件。這樣才能保證太空電梯在高負載下運行，而不會損壞其完整性。這意味著我們使用現有材料建造超級建築結構是可能實現的！」

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