建造太空城市、太空电梯的可行性报告

栏目:房产 来源:民间艺术网 时间:2019-10-12

地球是人类的摇篮,但人类不可能永远被束缚在摇篮里。空间站已经运行了几十年了,把太空站放大几十万倍,太空城市的设想就是基于此模型。

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“太空城市”、“太空电梯”这是我们在科幻小说中才能看到的字眼,曾经我对它抱着很大的幻想,脑海里也一直想象着未来人类先进科技的画面,满怀憧憬,希望可以看到那一天。

这位火箭专家曾这样设想过,他觉得可以在太空中建造一座城市来缓解地面环境压力,这个庞大建筑通过自旋产生人造重力,采用先进的生物技术种植作物与建造大型可持续生态循环系统。

建造大型太空城市的目的很简单,在人类还不具备改造行星能力之前,便可以实现太空移民。

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当然科学家也想到了,既然有了太空城市,那么如何才能搭建往来交通的便捷桥梁呢,若是每次都使用火箭的话,成本太高不是明智之举,于是“太空电梯”的概念孕育而生,并成为了科幻小说中被精彩描写的新名词。

太空城市可以建造在距离地面3.6万公里的太空中,那里正是地球同步轨道,太空电梯作为连接城市与地面的桥梁,由一根缆绳与载人设备构成,可高速往来于太空城市与地面之间。

电梯可以反复使用,比起每次都动用火箭来说,经济实惠。

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想要建造太空城市并不容易,理想中的太空城市应该是和地球一样,是个自我封闭的生态可循环系统。最好的方法是在建造太空城市之前,学会利用月球的资源。

月球岩石中含有丰富的铝、铁、钛、硅等元素,建造太空城市的材料完全可以全部从月球上获取,月球重力小,从月球上运输材料要比从地球上运输节省90%的能源。

科学家设想可以在月球上建造几座大型冶炼厂,以太阳能作为工厂能源,并派遣工程师、机器人前往工厂基地,生产所需建筑材料。

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之后建造太空城市可以完全由机器人完成,全部在轨组装,这要轻松得多了。

建造太空电梯的难点在于无法寻找到合适的缆绳,要知道3.6万公里的长度,任何一股轻微的气流扰动都会使其摇摆不定,所以缆绳必须能够经得起考验才行,碳纳米管或许是一个方向,但担忧它在这种长度下并不能胜任,不过人类的材料科学正在向前发展,也不能否定在未来就没有办法。

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而且,“太空电梯”的目的在于提供一种方法,让人类和货物穿越地球大气,并超越某些设计 ,而无需使用火箭。这个想法最早在1895年由俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥科夫斯基(Konstantin Tsiolkovsky)提出。

从那以后,这个想法已经有所改进,但基本的设置并没有改变。电梯包括一个锚定在地球上固定点(通常位于赤道)的一根单芯电缆,其向上延伸超过地球静止轨道高度——大约35,786公里。

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在电缆的顶端是一个平衡重量的物体。相互平衡的重力和向外指向的离心力有助于保持缆绳的良好平衡和绷紧状态,提供一条沿着其可以使货舱或货舱可以快速上下移动的线路。

这个想法的主要问题是——对大型电缆施加的压力会非常大,以至于目前没有足够强大的电缆能够承受它。除了需要对抗地球的引力,还要有足够的速度,否则走个几天,几个月人是吃不消的,速度太快人体也不能承受。磁悬浮管是一个方向。

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在过去的几十年中,有几次大规模的竞赛和提案旨在提供旨在克服这个问题的设计,但迄今为止都没有成功。最近的一次,在2014年,谷歌的开发部门Google X开展了一个项目,但是在发现当时没有人能制造出超过一米的碳纳米管电缆的时候,它搁置了这个想法。

碳纳米管是太空升降机工程师的希望,但2006年的一项研究提供的模型预测,在长达约10万公里的纳米管电缆中,不可避免地会出现具有破坏力的缺陷,使其整体强度降低约70%。

Popescu和Sun在他们的新论文中提出了不同的方法。虽然碳纳米管理论上是空间电梯电缆的理想选择,但他们说,目前它们的长度难以超过几厘米,因此并不实际。然而,他们指出,一些复合材料(主要是碳纳米管与其他材料合金化)目前强度较弱,但“我们正在快速接近具有自修复机制的稳定大结构所需的材料强度范围”。

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自我修复机制至关重要。研究人员提出了一种电缆解决方案——将电缆分成两个方向——向上,形成一系列堆栈段;向侧面,则排列成一系列平行的细丝。当任何长丝失效和出现故障时,其确实必须不时地将其影响限制在其自己的部分,并且负荷立即会在其相邻的部分之间共享,直到修理机器人进入,进行修复替换为止。

研究人员写道,拥有一个“自主修复机制”,确保高重力水平下的可靠性,同时允许使用较轻材料进行施工,从而使实际可行性更加接近。

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在所有这些建模的基础上,Popescu和Sun认为,新型太空电梯模型的基础是逐渐减小的应力比,从工程标准等级转移至生物等级。他们指出,人类的肌腱和人体脊柱可以承受非常接近拉伸强度的巨大应力——比钢铁工程师允许经历的压力大得多。

主要原因当然是,至少在某种程度上,肌腱和脊柱有能力进行自我修复,这是钢梁明显缺乏的质量。研究人员表示,将这种能力加入到太空升降机设计中,意味着不再需要等待材料科学赶上想象力——太空电梯这种巨型建筑结构,能够在现有材料的基础上实现建造。


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个人太空飞行器

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这是最舒适,最简单方便的方法,就像汽车一样,需要考驾照。来往于地球与太空,规划有特定的航线,并行不悖。

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穿梭往返的飞行器


当科技达到之时,以人类的本性来看,必会采取殖民扩张的形式向外层空间发展延伸,或许第一步正是建造太空城市,然后才是外行星殖民,这样,在不可预见的未来,人类可能真的会建立起来一个庞大的银河帝国!

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