人類的「通天塔」,太空電梯將如何工作?

1981年4月12日,哥倫比亞號太空梭從佛羅里達州甘迺迪航天中心升空,開始執行第一次太空梭任務,至此,可重複使用航天器的夢想得以實現。從那時起,美國宇航局已經發射了100多次太空任務,但太空任務的成本變化不大。無論是太空梭還是不可重複使用的俄羅斯航天器,發射成本約為每磅10000美元(每公斤22000美元)。

運往39B發射臺的哥倫比亞號太空梭(圖片來源:Wikimedia)

正在開發的一個新型太空運輸系統有望使前往地球靜止軌道(GEO)的旅行成為日常活動,並改變全球經濟形勢。

由碳奈米管複合材料纜帶製成的太空電梯錨定在一個近海海洋平臺上,纜帶由一個小型配重物拉伸,長約6.2萬英里(10萬公里),伸向太空。然後,附著在纜帶上的機械升降器會沿纜帶爬升,將貨物和人類送入太空,其成本僅為每磅100至400美元(每公斤220至880美元)。

太空電梯概念圖(圖片來源:Medium)

太空電梯概念圖(圖片來源:Medium)

在這篇文章中,我們將看到太空電梯的想法是如何從科幻小說走向現實的。

  • 太空電梯纜帶

為了更好地理解太空電梯的概念,我們來想象這樣一種遊戲:繩子一端系在一根杆上,另一端系在一個球上。在這個比喻中,繩子是碳奈米管複合纜帶,杆是地球,球是配重物。現在,想象一下,球一直繞著杆子快速旋轉,使繩子繃緊。這就是太空電梯的整體構想。配重物繞著地球旋轉,使纜帶保持筆直,自動升降艙在纜帶上上下移動。

太空電梯末端的配重物將使碳奈米管纜帶保持緊繃狀態。根據一些早期的計劃,配重物由剩餘的建築材料製成。(圖片來源:LIFTPORT GROUP)

LiftPort是為太空電梯及其部件進行設計開發的幾家公司之一。根據LiftPort提出的設計,太空電梯的高度大約為6.2萬英里(10萬公里)。來自世界各地的團隊在2006年10月新墨西哥州拉斯克魯斯(Las Cruces)舉行的X獎盃太空電梯比賽中爭奪40萬美元的一等獎。

電梯的核心部件是碳奈米管複合材料纜帶,它只有幾釐米寬,幾乎和一張紙一樣薄。1991年發現的碳奈米管使科學家相信太空電梯是可以被建造出來的。據太空發展基金會(Spaceward Foundation)的布拉德利·愛德華茲(Bradley Edwards)博士說:「過去在材料方面面臨的挑戰太大,但現在我們在製造碳奈米管和建造相應的機器方面已經越來越先進,這些機器可以將材料拉伸出足夠的長度,用以製作延伸至太空的纜帶。」

碳奈米管,又名巴基管,是一種具有特殊結構(徑向尺寸為奈米量級,軸向尺寸為微米量級,管子兩端基本上都封口)的一維量子材料。碳奈米管主要由呈六邊形排列的碳原子構成數層到數十層的同軸圓管。層與層之間保持固定的距離,約0.34nm,直徑一般為2~20 nm。(圖片來源:HCL Technologies)

碳奈米管的理論強度是鋼的100倍,並且具有塑膠的柔韌性,這種高強度來源於其類似於足球的獨特結構。一旦科學家們能夠將碳奈米管制成纖維,就有可能製造出用於製作太空電梯纜帶的線。以前可用的材料不是強度不足就是柔韌度不夠,無法制成纜帶,而且很容易斷裂。

LiftPort集團研究總監湯姆·紐金特(Tom Nugent)說:「它們的彈性模量非常高,抗拉強度也非常高,這一切都說明,這種材料理論上應該能使太空電梯的建造相對容易一些。」。

碳奈米管依其結構特徵可以分為三種類型:扶手椅形奈米管(armchair form),鋸齒形奈米管(zigzag form)和手性奈米管(chiral form)(圖片來源:Wikipedia)

纜帶有兩種兩種製作方式:

• 將長碳奈米管(幾米長或更長)編織成類似於繩子的結構。截至2005年,最長的奈米管仍然只有幾釐米。(注:2013年清華大學制備出單根長度在半米以上的碳奈米管)

• 將較短的奈米管置於聚合物基質中。目前的聚合物不能很好地與碳奈米管結合,這導致了碳奈米管處於張力下時基質被拉離。

如果一條長碳奈米管纜帶能被製造出來,它會被捲成一個線軸,然後送入軌道。當運載著線軸的宇宙飛船到達一定高度,比如低地球軌道時,它就會開始解開線軸,將纜帶一端下降放回地球。同時,線軸將繼續向更高的高度移動。當纜帶降到地球大氣層時,它會被捕獲,然後降落並錨定在海洋中的移動平臺上。

太空電梯概念圖(圖片來源:Wallpaperfolder)

這條纜帶可以作為一條通往太空的鐵路的軌道,而升降艙將沿著纜帶爬升進入太空。

  • 太空電梯有多高

太空電梯概念圖(圖片來源:Acecombat)

如果能建成,太空電梯纜帶將代表一個現代世界奇蹟,並將是有史以來最高的建築。2005年世界上最高的獨立式塔是加拿大多倫多上空高1815英尺5英寸(553.34米)的CN塔,而太空電梯將比CN塔高180720倍!(注:現在世界最高建築為迪拜的哈利法塔,高828米,太空電梯將比它高120773倍)

目前的世界第一高樓與人工構造物——迪拜哈利法塔(圖片來源:Buidingsone)

6.2萬英里(10萬公里)長的太空電梯將遠遠高於太空梭的平均軌道高度(115~400英里/185~643公里)。事實上,它將相當於地月距離(237674英里/382500公里)的四分之一。

  • 乘太空電梯登頂

升降艙將以每小時200英里的速度夾卷纜帶爬升。(圖片來源:LIFTPORT GROUP)

雖然纜帶仍然是一個概念性的組成部分,但太空電梯的所有其他部件都可以使用現有技術來建造,包括自動升降艙、地面基站和鐳射動力系統。到纜帶建成時,其他元件將在2018年左右的某個時候幾乎準備好發射。

太空電梯的組成(圖片來源:Medium)

太空電梯的組成(圖片來源:Medium)

升降艙(Lifter)

自動升降艙將利用纜帶的引導升入太空,升降艙上的牽引滾輪會夾住並拉動纜帶,使升降艙能夠爬上電梯。

地面基站(Anchor Station)

太空電梯的起點將設置於赤道太平洋的一個移動平臺,這個平臺將把纜帶固定在地球上。

配重物(Counterweight)

在纜帶的頂部將裝有一個沉重的配重物。太空電梯的早期計劃包括捕獲一顆小行星並將其用作配重。然而,像LiftPort和科學研究所(ISR)這樣的計劃,則準備使用人造配重物。事實上,配重物可能是由製造纜帶的設備(包括用來發射纜帶的航天器)組裝而成的。

鐳射動力系統(Power Beam)

升降艙將由位於地面基站或其附近的自由電子鐳射系統提供動力。據ISR稱,鐳射將向裝置於在升降艙上由砷化鎵(GaAs)製成的光伏電池發射2.4兆瓦的能量,然後光伏電池將能量轉換成電能,供傳統的鈮磁直流電機使用。

上面這張藝術家製作的概念圖中,升降艙由鐳射束驅動,並將能夠攜帶多達13噸的貨物進入太空。(圖片來源:LIFTPORT GROUP)

一旦投入使用,升降艙幾乎每天都可以爬太空電梯。這些升降艙的重量從最初的5噸到20噸不等。20噸重的升降艙將能夠承載多達13噸的有效載荷,並擁有900立方米的太空。升降艙將以每小時118英里(190公里)的速度爬上纜帶,運載從衛星到太陽能電池板等各種貨物,以及人類。

  • 太空電梯的維護

太空電梯纜帶將被固定在赤道太平洋的一個移動平臺上。作為幫助太空電梯避讓軌道碎片系統的一部分,移動平臺可以重新定位。(圖片來源:LIFTPORT GROUP)

在6.2萬英里(10萬公里)的長度上,太空電梯容易受到許多危險的影響,包括天氣、太空垃圾和恐怖分子。隨著太空電梯設計計劃的推進,開發者正在評估這些風險並尋求克服這些風險的方法。事實上,為了確保總有一部太空電梯可投入工作,開發者計劃建造多部電梯。在建造成本上,每一部都比前一部便宜。第一部太空電梯將作為一個平臺,協助建造更多太空電梯。在這樣做的過程中,開發人員正在確保,即使一臺太空電梯遇到問題,其他電梯也可以繼續向太空提供有效載荷。

避讓太空碎片

避讓太空碎片

據美國宇航局稱,從硬幣大小的火箭碎片到一輛雙層巴士大小的報廢衛星,超過50萬個人造物體目前的軌道速度比子彈快20倍,即使是一顆小小的螺絲釘也足以用爆炸的手榴彈的力量擊中一個正在工作的空間站。(圖片來源:Gizmodo)

與太空站或太空梭一樣,太空電梯也需要能夠避開軌道物體,如碎片和衛星。地面基站將採用主動避讓的方式保護太空電梯不受此類物體的影響。目前,北美航空防務司令部(NORAD)可跟蹤的目標大於10釐米(3.9英寸)。而保護太空電梯需要一個軌道碎片跟蹤系統,可以探測大約1釐米(0.39英寸)大小的物體。目前其他太空項目正在開發這項技術。

「我們的計劃是將纜帶固定在海洋中的移動平臺上,」LiftPort的湯姆·紐金特說,「實際上,你可以移動地面基站來把纜帶從衛星上拉下來。」

應對恐怖襲擊

太空電梯的孤立位置將為降低恐怖襲擊風險帶來很大的好處。舉個例子,根據LiftPort的說法,第一個地面基站將設置於赤道太平洋,距離任何航線或航道404英里(650公里)。只有一小部分的太空電梯在各類型攻擊範圍內,即9.3英里(15公里)或以下。此外,太空電梯將是一種寶貴的全球資源,很可能受到美國和其他國家軍事力量的保護。

  • 太空電梯的影響

藝術家製作的太陽視角概念圖。(圖片來源:LIFTPORT GROUP)

太空電梯潛在的全球影響可與另一項偉大的交通成就——美國橫貫大陸鐵路相比較。這條橫貫大陸的鐵路於1869年在猶他州的海角建成,第一次連接了美國的東西海岸,加速了美國西部的開拓。橫跨全美的旅行從幾個月減少到幾天。它還開闢了新的市場,催生了全新的產業。到1893年,美國已經擁有了五條橫貫大陸的鐵路。

太空電梯的概念與橫貫大陸的鐵路有許多相同之處。太空電梯將創造一個永久的地空連接,永遠不會關閉。雖然它不會使太空之旅更快,但它會使太空之旅更頻繁,並將為太空發展開闢一個新時代。也許推動太空電梯項目的最大因素就是它將大大降低將貨物送入太空的成本。雖然比化學推進的太空梭速度要慢,但升降器能將發射成本從每磅10000~20000美元,降低到每磅約400美元。

太空電梯也提供了一種可能產生大量太陽能的方式:將太陽能電池板裝置於太空電梯的側面,這裡的太陽光是未經過濾的,可以吸收比地球上多得多的能量。(圖片來源:Wikipedia)

據《美國國家航空航天局第二階段最終報告》(The Space Elevator, NIAC Phase II Final Report)一書的作者布拉德利·愛德華茲(也是Carbon Designs的總裁和創始人)介紹,當前的估算顯示,建造太空電梯的成本為60億美元,法律和監管成本為40億美元。可以對比參考的是,太空梭計劃在1971年預計成本為52億美元,但最終耗資195億美元,此外,每架太空梭的飛行費用為5億美元,是最初估計的50多倍。

亞特蘭蒂斯號太空梭於2011年7月8日在佛羅里達州卡納維拉爾角的甘迺迪航天中心從39A號發射臺發射升空。亞特蘭蒂斯號STS-135為期12天的國際空間站任務是太空梭項目的最後一次飛行任務。(圖片來源:NASA/Bill Ingalls)

太空電梯可以取代太空梭作為太空主要交通工具,用於衛星部署、國防、旅遊和進一步的探索。針對最後一點,航天器可以爬上太空電梯的纜帶,然後在太空中向其主要目標發射,這種類型的發射所需的燃料比從地球大氣層中發射所需的燃料要少。一些設計師還認為,太空電梯可以建在包括火星在內的其他行星上。

火星太空電梯概念圖(圖片來源:Spaceelevatorblog)

美國宇航局資助愛德華茲博士進行了三年的研究。然而,在2005年,它只給研究太空電梯的公司撥款2800萬美元。雖然他們仍然對這個項目很感興趣,但目前他們更願意坐等其更實質性的發展。

作者:KEVIN BONSOR

FY:胖頭魚

翻譯:天文志願文章組-胖頭魚

審核:天文志願文章組-

終審:天文志願文章組-PN接面

排版:天文志願文章組-零度星系

美觀:天文志願文章組-

參考資料

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3.原文來自:https://science.howstuffworks.com/space-elevator.htm

本文由天文志願文章組-胖頭魚翻譯自KEVIN BONSOR的作品,如有相關內容侵權,請於三十日以內聯繫運營者刪除。

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