美打造超堅固納米線太空電梯近在眼前

  北京時間9月29日消息,據國外媒體報道,美國科學家研發出超細超堅固的納米線,能夠讓打造太空電梯的夢想成為現實,進而讓實現飛天夢想就像坐電梯一樣簡單。

  這種納米線由長而細的碳原子鏈構成,碳原子的排列方式與鑽石內部結構相同。此項研究由賓夕法尼亞州立大學的化學教授約翰-巴丁進行,研究發現刊登在《自然-材料》雜誌上。

  酷似微型鑽石項鏈

  巴丁教授表示:“從基礎科學的角度上說,我們的研究無疑非常引人注目,因為我們研發的納米線擁有此前我們從未見過的結構。”

 

  巴丁的研究小組研發的納米線由長而細的碳原子鏈構成,碳原子的排列方式與鑽石結構相同。鑽石結構的主要特徵為6個碳原子構成的Z字形環己烷,每個原子被其他原子環繞,形成堅固的四面體三稜錐形。

  巴丁教授指出:“我們研發的納米線就像是一個不可思議的珠寶,一個由尺寸最小的鑽石串成的微型項鏈。由於鑽石是這種線的核心,我們有理由認為它們擁有異乎尋常的硬度和堅固度,同時也擁有巨大的應用價值。”

  “對於我們研發的納米材料,我們的其中一個最瘋狂的夢想就是用於製造超級堅固的輕型繩索,讓打造太空電梯的夢想成為現實。迄今為止,太空電梯一直只存在於科學作品中。”

  100年來,科學家一直在實驗室進行研究,試圖將含有原子的單個分子——例如液態苯——壓縮成有序的鑽石型納米材料。

  巴丁等人的研究成果意味著這個有著100年的夢想終成現實。研究論文合著者、卡內基科學研究所的馬爾科姆-格思裡指出:“我們利用橡樹嶺國家實驗室的大型高壓巴黎-愛丁堡裝置壓縮寬度0.2英吋(約合6毫米)的苯。

  與此前的實驗相比,這一數量可謂巨大。根據我們的發現,在室溫條件下進行大幅壓縮之後緩慢釋放壓力能夠賦予碳原子所需要的時間,進行相互作用和形成高度有序的單行碳四面體鏈,進而形成鑽石核心的納米線。”

  巴丁指出這種納米線的寬度“小的異乎尋常,只有區區幾個原子”,是光纖的幾十萬分之一。光纖的直徑遠不及人類的頭髮。不過,他們研發的鑽石納米線並不完美,巴丁的研究小組將繼續進行研究,改進鑽石納米線。

  可以向大教堂取經

  1895年,俄國科學家康斯坦丁-齊奧爾科夫斯基首次提出太空電梯的想法,用於將人類送上太空。他提議建造一個無需依靠支撐物的通天塔,從地面直插對地靜止軌道。

 

  1979年,也就是在阿瑟-克拉克的小說《天堂噴泉》問世之後,太空電梯的想法進一步成為主流。最近,工程師皮特-德伯尼提出一項理論,認為可以借鑒大教堂控制重心的方式,即頂部採用逐漸變尖細的設計。

  直到現在,可用於製造太空電梯所需繩索的材料仍屈指可數。這種材料必須足夠堅固或者能夠大量生產,可用於製造足夠長的繩索。

  1975年,美國科學家傑羅姆-皮爾森設計了一個採用繩索的系統。在對地靜止軌道,繩索的直徑最大,因為這一區域的應力最大。

  他建議使用一個延伸到8.9萬英里(約合14.4萬公里)外的配重,幾乎是地月距離的一半。

  從哥特式大教堂到摩天樓再到太空電梯,在建造任何高層建築時,堅固度和平衡重心都是兩大關鍵。

  對於人類來說,人體的重心在胃部周圍,重心距地面越高,保持平衡的難度越大,反之更容易保持平衡。

  同樣的原理也適用於高層和超高層建築。通過建造堅固並且深入地下深處的地基,重心便可降低。

  奧雅納工程公司結構工程師德伯尼在接受英國媒體採訪時表示:“我們在地球表面感受到的重力是兩個因素的結果。第一個是我們與地核之間的距離,也就是地球的重心。其次,由於地球並非完美球體,地球的旋轉導致赤道地區的物質更多,兩極地區的物質更少。這也就意味著赤道半徑超過極地,導致赤道地區的重力最小,南北兩極的重力最大。”

  面臨結構損傷風險

  德伯尼解釋說由於地球一直在旋轉,地球上的一切事物都承受離心力,赤道地區的離心力最大,極點為零。他說:“這兩種影響結合在一起,赤道地區的重力加速度最小,極地地區的重力加速度最大。如果地球旋轉產生的離心力抵消地心引力產生的影響,建造一座超高層建築時將會發生什麼呢?

  如果你在赤道上空的這一高度部署一顆衛星並賦予它正確的速度,這顆衛星將每24小時環繞地球一周並且始終處在地球上空一個固定的點。”

  第一個影響是地心引力會隨著你與重心間距離的加大減少,第二個影響是離心力增加。在某一個點,離心力能夠完全抵消重力。

  如果你站在赤道上,你的海拔高度需要達到近1.8萬公里,才能產生這種影響。這一高度通常被稱之為‘地球同步軌道’。

  德伯尼指出解決之道是將衛星部署到地球同步軌道並且使用一條繩索與地面相連。隨著繩索的延伸,衛星的重心會發生變化。

  如果將衛星部署到一條較低的軌道,會導致衛星相對於地面發生移動。為了將整個系統保持在軌道內,德伯尼建議添加一條同樣不斷延伸的繩索,保持系統平衡。

  由於這種方式構成一個非線性系統,繩索需要延伸近兩倍的長度。另一種解決方案是使用處在地球同步軌道之外的一個配重,例如大小合適的小行星,保持繩索的平衡同時減少長度。

  製造繩索使用的材料必須足夠堅固才能支撐如此重的負載,例如石墨烯或者碳納米管。巴丁教授研製的鑽石納米線能夠做到這一點。

  石墨烯的斷裂長度達到3568公里,但由於這一長度建立在重心恆定的情況下,因此在重力較小的高度,石墨烯的斷裂長度會提高。

  “與高地球軌道相比,環繞低地球軌道的一端角速度較大。有趣的是,雖然高軌道的角速度較小,但切向速度較大。這也就意味著如果你希望減慢環繞地球的速度,你需要加快速度。”

  德伯尼指出太空電梯使用的繩索需要呈逐漸變細的帶狀,就像金字塔或者大教堂的尖塔一樣。金字塔和大教堂尖塔的頂部逐漸變尖細,太空電梯的繩索則需要在地下逐漸變尖細,用於有效支撐重量。

  德伯尼說:“早期提出的太空電梯設想並不延伸到地面,而是從低地球軌道延伸到高地球軌道。電梯兩端環繞不同高度的軌道運轉,所產生的潮汐力幫助保持整個系統的穩定。”

  太空軌道面臨一系列可導致結構損傷的風險,例如太空碎片和微隕星。德伯尼指出帶狀繩索的寬度能夠將撞擊造成的危險將至最低。

  此外,繩索墜落的風險也較低,因為帶狀設計可以收緊並且擁有很大的空氣阻力。

  任何從這一高度墜落的繩索都會在抵達地面前燃燒殆盡。

  研究發現繩索上部經受的甩鞭效應可能導致它們發生折斷,將它們置於軌道中,便於以後回收。

  2012年,東京公司株式會社大林組宣佈一項計劃,將在2050年之前建造一個可以使用的太空電梯。

  十九世紀末就提出幻想

  近些年,這個曾被視為科學幻想的革命性工程在一些相關技術上有了較大進展,並出台了多種方案。

月球與地球間修建電梯設計圖

  現在進入太空的主要工具是運載火箭,它是通過消耗大量燃料來擺脫地球引力的。目前的運載火箭所攜帶的燃料要佔到火箭總重量的90%以上,它每運送1千克有效載荷上天平均需耗資約1萬美元。

  而太空電梯雖然造價昂貴,但不需要動用大量燃料,因此建成之後的運行費用比運載火箭低兩個量級,且可像高速公路一樣24小時運轉,將航天器、有關貨物和旅遊者等帶到太空去。

  用一根粗大的吊索,一端固定在位於地球赤道的平台上,另一端緊緊抓住距地面約3.6萬千米、與地球同步運行的航天器上,就可使一個形似電梯的吊箱載著貨物沿吊索駛向太空……這就是一些國家研究人員正在嘗試設計的太空電梯。

  它似乎是科學幻想,然而在科技高速發展的今天,該夢想很有可能變成現實。




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