日本测试“太空电梯”,百年“天梯”梦要实现了?

2018-09-18 08:59 行业报道   来源:搜狐IT

导读太空电梯最下方的平台,由于气候影响,可能不方便设置在地面上,而考虑在平流层之上设计基地。由于近地面平台只能设置在赤道附近,届时那些如今人迹罕至的赤道区域将成为航天大国争抢的“热地”。当然除了地面气候影响,太空电梯还必须考虑来自太空陨石、太阳风暴等情形的威胁,保证自身和货舱、乘客的安全。  

太空电梯给航天活动带来的收益是充满了诱惑的,人类将来从地球静止轨道起飞进入深空,或将带来未来航天模式的改变。

 

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▲图/新京报网

文 | 孙正凡

日前有媒体报道,日本静冈大学工学部的科研团队与日本建设公司大林组合作开发了迷你版太空电梯,将视天气情况在本月进行实验。

负责研发的日本静冈大学教授能见公博表示,实验在国际空间站进行,研究人员将用一段10米长的钢制缆绳,连接2颗边长为10厘米的小型立方体卫星,以此测试太空电梯模型的可行性。

作为一种低成本进入太空的方式,美国、日本、俄罗斯等各国的科学家都对太空电梯充满了兴趣,日本是最积极的国家之一,10年前就组建了“日本太空电梯协会”。

太空电梯概念早已有之

太空电梯的概念最初出现在1895年,由“航天之父”俄国科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基提出。它的底端位于地面或平流层之上,顶部直达外太空,所以又名“天梯”。

 

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▲图/腾讯科学

由于它与地球保持相对静止,从而可以用电梯把物品和人运送到太空。与这个概念紧密联系的是地球静止轨道,也即在地球赤道上空大约35786 千米的高度上,卫星受到的地球引力和它绕地球自转所需要的向心力恰好相等,从而在这个轨道上的卫星,在我们地面看来是保持静止不动的。如今我们转播电视节目的卫星,就位于这个轨道。

为了能够把太空电梯拉住,需要在地球静止轨道之上放置一个比较重的平衡锤,从而使整体重心保持在静止轨道。就像我们日常乘坐的电梯一样,太空电梯也需要又长又结实的缆绳,缆绳所需要的强度是钢材的上百倍。由于长达36000千米的普通缆绳无法承受自身重量,所以只能考虑用纳米材料来制作,目前最看好的是碳纳米管。

太空电梯最下方的平台,由于气候影响,可能不方便设置在地面上,而考虑在平流层之上设计基地。由于近地面平台只能设置在赤道附近,届时那些如今人迹罕至的赤道区域将成为航天大国争抢的“热地”。当然除了地面气候影响,太空电梯还必须考虑来自太空陨石、太阳风暴等情形的威胁,保证自身和货舱、乘客的安全。

技术障碍制约太空电梯商业化

进入太空一直是人类的梦想,正如齐奥尔科夫斯基的名言“地球是人类的摇篮,但人类不可能永远被束缚在摇篮里。它首先小心地探索大气层的边缘,然后将把控制和干预能力扩展到整个太阳系。”

不过,航天技术的进展在近几十年来一直不尽如人意,自从1969年实现载人登月以来,载人航天活动一直在近地空间徘徊,国际空间站的高度不过360公里。

制约航天活动的困难之一是化学燃料的低效率和昂贵的发射活动成本,比如埃隆•马斯克的SPACeX公司进行的火箭回收实验,就是为了降低发射成本。化学燃料对地球环境的污染也相当大。这些成本大多是由于我们为了冲破地球大气层和近地引力所付出的。

 

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▲SpaceX公司成功发射新型火箭Falcon 9 FT,并在发射10分钟后回收一级火箭。 图/新华社

如果太空电梯能够实现,改用电力提升货舱,直接上升至36000千米地球静止轨道之上,也就是如今国际空间站高度的100倍,地球半径的6倍,航天活动的效率和成本将会大大降低。别忘了,这时所需的电力可以从太空里直接获得太阳能发电。在这个高度上,太阳能电池板可以几乎24小时工作。

当然,正如日本大林公司团队的估计,要到2050年才可能实现太空电梯的商业运作,太空电梯面临的困难也是可想而知的。建造一部现实的空间电梯成本约100亿美元,对于充满希望的航天工程来说,成本并不高,但它涉及的几乎每一项技术都还是未知数。实际上,Google X在2014年就承认,它支持的一项太空电梯研究计划已经废止。

比如,作为电梯最主要结构的缆绳——虽然在目前的设想中,碳纳米管的强度能够承担这个工作,但如何生产长达36000千米的碳纳米管缆绳还完全没有头绪,目前碳纳米管生产技术仍然停留米量级。

根据目前的设想,太空电梯从近地面出发,要用8天抵达地球同步轨道。这就意味着在航程中风险系数不小。比如,对航天活动最大的威胁之一是太阳风暴,其爆发活动喷射的高能带电粒子流,会强烈干扰地球电磁环境,高能辐射还会影响航天员的健康。

太阳喷发出物质之后,太阳风会在1到4天后抵达地球,而目前我们的太阳物理学还不能对太阳喷发活动做出提前预报。太空电梯只能保持在固定位置,无法灵活移动,如何保证太空电梯和乘客的安全,这将需要包括天文学家在内的更多科学家协作。

一旦梦圆,赤道将成“热土”

尽管面临着未知的研发成本、技术突破时限、安全风险等诸多问题,但太空电梯给航天活动带来的收益是充满了诱惑的,人类将来从地球静止轨道起飞进入深空,或将带来未来航天模式的改变。

未知太空的奥秘一直在召唤着勇敢的人类,日本的这项迷你太空电梯实验至少让我们知道,地球上一些最聪明、最富有想象力的人在努力挑战极限,探索未来之路。30年后,也许这将成为人类社会的热点,赤道也将成为名副其实的“热土”。

□孙正凡(科普作家)

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