月球太空起落机：轻松带你上月球

工程学的汗青是由一个一个将不行能酿成也许,实现了雄伟奔腾的符号性工程所串通起来的。屏幕前的你会好奇工程成长的将来是通向何方吗?人们对宇宙的试探会让工程学的成长更进一步吗?月球太空起落机大概真能实现!

伯努利道理(Bernoulli’s principle)让飞性可以或许真正飞起来;埃菲尔铁塔证明白欧拉-伯努利梁方程(Euler’s beam theory)的正确性;硅芯片和光量子团结的研究加快了下一代量子模仿器的制造历程……统统实践都是成立在理论的基本之上。

今世工程师也许会执着于深挖这些科技理论,然后思索怎样将这些理论更好地处事于实际,怎样做出能让后裔敬仰的大工程,敦促社会的前进和成长。

1959年,诺贝尔奖得主理查德·费曼(Richard P. Feynman)在加州理工学院(Caltech)召开的美国物理学会大会上颁发了一场题为《物质底层大有空间》(There is plenty of room at the bottom)的闻名演讲。这个演讲被以为是当代微纳米技能的最早来历,评论的是在细小标准上哄骗和节制物体的题目。在费曼看来,人类社会今朝的出产方法老是“从上而下” (bottom up)的。他提出:“为什么我们不行以从单个分子,乃至原子开始出发,举办组装,到达我们的要求?物理学的纪律不解除一个原子一个原子制造物品的也许。”而现在,纳米技能的成熟已经实现了他的假想。

纳米是长度单元,只有一毫米的百万分之一,我们肉眼无法看到1纳米是几多,想象一下,一根头发是75000纳米,一条DNA双链差不多是2纳米宽。

固然,它无法像庞大的埃及金字塔那样让我们一看就赞叹其壮美;可是,我们仍有机遇感觉纳米技能给人类文明带来的变革。好比“月球太空起落机(LSE)”。

顾名思义,太空起落机的道理并不伟大,就是一条长长的缆索一端牢靠在地球上,另一端牢靠在地球同步轨道的均衡物(如大型卫星或空间站)上。在引力和向心加快度的彼此浸染下,缆索被绷紧,太空起落机将操作太阳能或激光沿缆索上下行为,建成之后它可像高速公路一样24小时不中断运转,将地球上的航天器、货品和旅客等带到太空去。

此刻进入太空的首要器材是运载火箭,它是通过耗损大量燃料来挣脱地球引力的。月球起落机一旦建成将有助于地球人对月球的进一步试探。

月球太空起落机的原料

制作太空起落机的最大障碍来自缆索的制作。缆索将同时遭受重力和离心力,因此它必需很是轻,还需极其平稳,并可以或许担当住大气层表里向它袭来的任何物体的撞击。简而言之,缆索材质的强度很重要,而权衡这一数据的系数称为比强度,是材质的抗拉强度与密度之比,即抗拉强度与质量之比。

简言之,原料的密度假如太高,并不能从中得到特另外抗拉强度,因此也就不能晋升最终强度。比强度越高,表白到达响应强度所用的原料质量越轻。

下表是太空起落梯制作的要害原料参数。

抗拉强度

(GPa)

密度

(g/cm3)

强度系数

(kN·

m/kg)

Carbyne卡拜

390

6×107

Graphene石墨烯

130.5

2.09

62453

Carbon Nanotube碳纳米管

50

1.34

46268

Carbon Fiber碳纤维

7

1.79

3911

Zylon柴隆

5.8

1.5

3766

Dyneema

3.6

0.97

3711

Aramid芳纶

3.6

1.4

2514

M5

5.7 (9 ?)

1.7

3352

Spider Silk蜘蛛丝

1.4

1.31

1068

上表中部门原料是原料科学的一些最新盼望和已知的最优原料计划强度。

理论上说,比强度高的原料不是简朴就能获得的,它必要有强键存在,并分列组合组成。而分列组合的方法有许多,因此能得到的原料特质也不尽沟通。

Dyneema(超高分子量聚乙烯纤维)回收的是长线性细密分列的聚合物链布局,但在某些地区分列不抱负。

Aramid芳纶却依靠于更大的刚性分子,分子对称性高。Zylon和M5也是云云,回收更大的刚性分子举办分列组合,但后两者的分列组合方法更优,因此强度也更高。

让我们再来看看石墨烯,它具有瑰丽的几许布局。碳纤维行使石墨纳米片作为加强原料,但其布局不如石墨烯。

碳纳米管着实就是卷起来的石墨烯片,六边形布局毗连美满,但弯曲粉碎了二维石墨烯的平面几许布局,从而减弱键合。

卡拜,即线性碳,是由单个碳原子形成的一维纯碳链布局。

费曼在演讲中描写的纳米天下已呈现,乐成制作月球太空起落机还会远么?

究竟证明,“月球起落机”不再是科幻小说中的理想情节了,今朝,研制太空起落机最大的挑衅是可否以较低本钱大局限出产出切合比刚度要求的原料,科学家现在不绝开拓出质量轻、强度高的碳纳米管纤维原料,现有的此类纤维原料强度已经到达了所需强度的约1/4,一旦我们能把握碳纳米管和碳炔的最佳分列方法,建筑太空起落梯就将成为也许。

不外,也许仍有一些其他方面的身分必要思量:

● 空间辐射会低落原料的抗拉强度吗?

● 那蠕变呢?

● 拉紧的绳索不会有高泼魅振荡和高周疲惫吗?

● 莫非对证料的韧性没有任何要求吗?

韧性确实是一个至关重要的特征。有些家产陶瓷的特定刚度指数可与碳-环氧复合原料相媲美或远超其上,但它们并不合用于全部处所,好角逐车。

月球太空起落机——蜘蛛丝

蜘蛛丝的抗拉强度约为1GPa(它是自然纤维,因此数值会有所浮动),而这仅是制作最小的地面太空起落机所需强度的4%。

（编辑：湖南网）

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