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一键升天!太空电梯了解一下

原标题:一键升天!太空电梯了解一下

想上太空很困难,即使我们都希望能有一种简单实惠的方式,来让我们观赏这颗悬浮在茫茫宇宙中的星球。现在唯一的办法也只有去当宇航员或者是成为亿万富翁,但现在有个设想,或许能使这一愿景成为可能。并同时,成为进一步探索宇宙的起点,它就是太空升降梯!那么,它究竟是怎样工作的呢?

我们的征途是星辰大海。

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从明朝时将自己绑在火箭椅上试图上天,却不幸在火箭爆炸中献出生命的万户,到
1903 年寒冬里乘坐自制飞机在空中飞行了 12 秒 36.5
米的莱特兄弟……古往今来,人类对头顶深邃的天空从未停止过好奇与向往。

想要了解太空电梯如何将我们送入太空,我们首先需要了解什么是天体运行的“轨道。”“在轨”的基本意思就是在朝某个物体坠落,但速度太快,以至于错过了那个物体。如果你在地面上扔出一个球它会在空中飞出一条弧线,然后落到地面,太空里,重力使你的运动方式和那个球基本相同。但是如果你横向移动的速度足够快,地球球面的形状会让你在被重力往回拉的同时,以同样快的速度朝远离它的方向飞出去。

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所以为了能进入绕地轨道,火箭既要能很快地向上飞,也要能很快地横向飞行。相对的,太空电梯则能借着地球自转的能量,得到很快的运动速度。想象一个孩子,正甩着连有绳子的玩具,同时他的手上有只蚂蚁,这只蚂蚁沿着绳子向上爬。随着它的上升,它横向移动的速度也越来越快。相比于火箭,使用太空电梯运送货物,你只需要提供向上的能量,横向运动的能量地球自转将会直接提供给你。

当然,随着苏联宇航员加加林在 1961 年 4 月 12
日首次代表人类飞向了太空,以及此后越来越多的火箭和人类踏足太空,今天的人类似乎对此也习以为常了。

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但毫无疑问,太空电梯将成为历史上规模最大又最昂贵的人造建筑。那么,这样做是否值得?这一切都归结到成本问题:火箭燃烧大量的燃料也只能运送少量货物上太空。按目前价格计算,送一公斤负荷量上太空的成本差不多是2万美元,一个平均体重的人类上太空的成本为130玩美元,一辆车需要4千万美元,对于国际空间站来说则是数十亿美金,这巨大的成本是限制人类太空旅行的一大主要障碍。

但是对于绝大多数的普通大众来说,今天太空仍旧是个只能抬头仰望的地方,原因无二,高昂的火箭发射成本使得上天这件事只能被用于科学研究或者是成为少数富人的玩物。

即便我们的科技不断进步,短期内,这笔费用也不会变的和机票一样便宜,太空电梯将能解决这一问题!在其建成后,太空电梯预计将减少运输成本到每公斤200美元,足足小了100倍!如果一个相对便宜的太空电梯造价200亿美元,我们运送100万吨货物后便能回本,这也差不多就是两个国际空间站的重量。所以现实中,太空电梯长什么样呢?

即使是目前马斯克的 SpaceX「猎鹰 9 号」(Falcon
9)因为其可回收利用的特性而能将火箭发射成本控制在平均 6200 万美元(约合
4.25 亿元人民币),这样的高价依然不是普通人能承受得起的。

太空电梯将有4个主要组成部分:缆绳、锚、配重以及爬升器。太空电梯的“电梯”补分,由缆绳及爬升器组成,它从地球的表面延伸至太空中。爬升器类似于传统的电梯轿厢,就是一个沿着缆绳爬升的箱子。在电梯的底下是一个锚,它吧缆绳固定在地面上,这里也会有电梯的停泊处和入口。在电梯的顶部是负责将缆绳拉起来的配重,缆绳就像一根绷紧的绳子,被顶端配重的拉力维持着。配重处在地球表面上超过36000公里的位置,在配重的位置可能回是一个空间站,作为今后太空电梯中发射任务的基地。

图片 5▲猎鹰
9 号海上回收

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不过据日本《每日新闻》报道,来自日本静冈大学工程学院的研究团队将在日本种子岛宇宙中心发射两颗小型卫星,并计划在两颗卫星之间长
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米的线缆间进行测试,为之后能大幅削减人员、物资上天成本的「太空电梯」进行验证。

但我们究竟能不能建成这样一个东西?这很难说。其最大的挑战是缆绳,材料必须轻,便宜,并且用地球上最坚硬的材质制作。有一些很有前途的材料如石墨烯和金刚石纳米线,但即便是它们,强度可能也不够。而且,除了需要极高的强度,揽胜材料还必须要经受住来自大气层的腐蚀,能抗辐射,还要能经受微笑陨石和太空碎片的撞击。

《三体》真的要来了么?

此外,电梯需要数天的时间完成爬升,我们该如何为它供能?爬升器需要大量的能源来爬升,我们是否需要一个核反应堆为太空电梯室供能?还是说我们使用高能激光束从地面向其供能?而且我们该去哪里找这36000公里长缆绳的原料?我们是应该在地球上建造它然后发射上太空?还是应该在太空中制造它然后把它降到地面上?开采小行星能否解决这个问题?

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简单地说,仍有一些重大的技术障碍需要克服,而且太空电梯也并不是没有风险。如果缆绳断裂的话,那将十分壮观(惨烈(=・ω・=))如果它在锚的附近断裂,由配重所施加的拉力会把整个电梯拽飞,一直飞到太空中去。如果缆绳在配重附近断裂,缆绳将会掉落下来(害怕.JPG)缠在地球四周,像鞭子一样到处乱甩,它在轨道上产生的碎片可能会对以后的太空飞行产生严重的影响。

真·天梯

事实上,在 1895
年,苏联的火箭科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基受巴黎的埃菲尔铁塔启发,便提出了可以在地球静止轨道(地球赤道上空
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公里,在这个轨道上的航天器绕地一周的时间与地球自转时间相同)上建设一座通天塔,并通过缆绳和地面相连。

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在过去的 100 多年中,这样的整体设计思路也没发生什么大的变化。

与船舶和海洋里的钻井平台一样,整个太空电梯装置在地面设有一个巨大的锚用于固定整个电梯的位置。而在太空里的另一端,则是一个用来提供拉力,将整个线缆绷紧的配重装置。至于在中间的,就是用来承载太空电梯上下运行的线缆了。

而在整个装置部署之后,乘客及货物可以搭乘电梯以每小时 200
公里的速度沿着线缆上天,整个行程大约为一周。

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至于这样的太空电梯建成之后的好处,自然也就是上文中提到的可以压缩运输成本。据预计,使用太空电梯在地球和太空间往返的运输成本将从目前「猎鹰
9 号」的每公斤约 7000 美元下降至约 200 美元(约合 1370
元人民币)。而更低的成本则意味着在太空里更大的想象空间。

6 月 27 日,历经 4 年,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)的「隼鸟 2
号」探测器抵达了目标小行星「龙宫」附近,并将在进行 1
年多的观测和采集样本之后于 2020 年返回地球。

图片 10▲隼鸟
2 号

事实上,日本采集小行星样本的计划也只是全球各航天大国小行星采矿计划中的一部分。

去年,我国就公布了建设小行星基地的计划,并计划在 2020~2025
年间将机器人或宇航员送到小行星上,并将矿产带回地球;美国的 NASA 也计划于
2022
年发射飞行器前往「灵神星」小行星,值得一提的是,「灵神星」上的铁资源价值超过
1000 亿亿美元。

而如果太空电梯建成,它无疑将成为外星矿产与地球之间、人类与浩瀚的宇宙之间绝佳的中转站。

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不过问题来了,既然这样的太空电梯能带来这么多好处,那为何在这个概念被提出的
100 多年后的今天,它仍然还处在测试验证阶段呢?

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创业未半而中道崩殂?

这样一部太空电梯之所以迟迟造不出来,最大的原因莫过于线缆的材料了。

全长 30000
多公里,这样长度与重量给线缆带来的强度和轻质上的要求必然是在人类历史上从未有过的,此前研究太空电梯的科学家也均表示制造线缆的材料在地球上不存在。

随着材料科学的发展,现在看来碳纳米管似乎是一个可行的方案,不过目前的技术也只能造出零点几米的碳纳米管,更不用说用在从地面直达太空不能有一丁点瑕疵的超级工程了。

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此外,假设在未来符合强度、重量标准的线缆被制造出来了,它在使用过程中还需要能抵御低层大气的大风、雷电、暴雨以及高层空间的辐射、太空垃圾等等。一旦线缆在低层断裂,整个上层的装置将像气球一样飞向太空;而若线缆在高层断裂,地球将拽着整条
30000 多公里的线缆四处乱甩,造成的后果也是可想而知的。

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当然,除了目前的材料还满足以及太空电梯本身不能出任何故障的缺点,太空电梯的竞争对手火箭也在迎头追上。

上文中提到目前「猎鹰 9 号」的发射成本大概约为每公斤 7000
美元,相较每公斤 200
美元的太空电梯来说确实还有不少差距,不过相较于不可回收的火箭每公斤约
20000 美元的成本,「猎鹰 9
号」已经有了长足进步,而且未来的发展也值得期待,更不用说火箭拥有更强的环境适应能力以及更快的速度。

图片 15▲一周上天还是有点久

只能说,距离太空电梯真正到来的那一天或许还有些遥远。

如果我们要在地球上建立太空电梯我们必须一次成功。出于这些原因,一些专家提出我们首先应该在月球上建造太空电梯。月球上的重力比地球弱很多,所以一些现有的更脆弱的材料,如凯夫拉就可以用于缆绳的材料。即使有这样或是那样的挑战,一个成功的太空电梯所提供的回报,将是巨大的,这可能将成为迈向真正的航天文明的第一步。

Geek君有话说

古往今来,正是因为人类始终怀有「欲与天空试比高」的情怀才有了今天一艘艘突破大气飞向宇宙的飞船。无论这次日本进行的这次小型太空电梯测试能不能成功,或者最终版的太空电梯能不能投入使用,它们都同万户、莱特兄弟一样,是人类想象力、好奇心的结晶,为人类的航空航天事业带来了些许不同。

梦想还是要有的,万一未来按个键就能上天了呢?

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责任编辑:

或许我们永远不会建成太空电梯,但在尝试这样做的过程中我们可能也会学到很多很多。而当我们谈到宇宙探索使,我们是否也应该对未来抱有一些更宏大的梦想呢?

本文由 科学探索怪 发布 2017年4月11日