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月球太空升降機(jī)：輕松帶你上月球
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工程學(xué)的歷史是由一個(gè)一個(gè)將不可能變成可能，實(shí)現(xiàn)了宏偉飛躍的標(biāo)志性工程所串連起來的。屏幕前的你會好奇工程發(fā)展的未來是通向何方嗎？人們對宇宙的探索會讓工程學(xué)的發(fā)展更進(jìn)一步嗎？月球太空升降機(jī)也許真能實(shí)現(xiàn)！ 伯努利原理（Bernoulli’s principle）讓飛機(jī)能夠真正飛起來；埃菲爾鐵塔證明了歐拉-伯努利梁方程（Euler’s beam theory）的正確性；硅芯片和光量子結(jié)合的研究加速了下一代量子模擬器的制造進(jìn)程……一切實(shí)踐都是建立在理論的基礎(chǔ)之上。 當(dāng)代工程師可能會執(zhí)著于深挖這些科技理論，然后思考如何將這些理論更好地服務(wù)于現(xiàn)實(shí)，如何做出能讓后世敬仰的大工程，推動社會的進(jìn)步和發(fā)展。 1959年，諾貝爾獎得主理查德·費(fèi)曼（Richard P. Feynman）在加州理工學(xué)院（Caltech）召開的美國物理學(xué)會大會上發(fā)表了一場題為《物質(zhì)底層大有空間》（There is plenty of room at the bottom）的著名演講。這個(gè)演講被認(rèn)為是現(xiàn)代微納米技術(shù)的最早來源，談?wù)摰氖窃谖⑿〕叨壬喜倏v和控制物體的問題。在費(fèi)曼看來，人類社會目前的生產(chǎn)方式總是“從上而下” （bottom up）的。他提出：“為什么我們不可以從單個(gè)分子，甚至原子開始出發(fā)，進(jìn)行組裝，達(dá)到我們的要求？物理學(xué)的規(guī)律不排除一個(gè)原子一個(gè)原子制造物品的可能�！倍缃�，納米技術(shù)的成熟已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了他的設(shè)想。 納米是長度單位，只有一毫米的百萬分之一，我們?nèi)庋蹮o法看到1納米是多少，想象一下，一根頭發(fā)是75000納米，一條DNA雙鏈差不多是2納米寬。 雖然，它無法像巨大的埃及金字塔那樣讓我們一看就驚嘆其壯美；但是，我們?nèi)杂袡C(jī)會感受納米技術(shù)給人類文明帶來的變化。比如“月球太空升降機(jī)（LSE）”。 顧名思義，太空升降機(jī)的原理并不復(fù)雜，就是一條長長的纜索一端固定在地球上，另一端固定在地球同步軌道的平衡物（如大型衛(wèi)星或空間站）上。在引力和向心加速度的相互作用下，纜索被繃緊，太空升降機(jī)將利用太陽能或激光沿纜索上下運(yùn)動，建成之后它可像高速公路一樣24小時(shí)不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)，將地球上的航天器、貨物和游客等帶到太空去。 現(xiàn)在進(jìn)入太空的主要工具是運(yùn)載火箭，它是通過消耗大量燃料來擺脫地球引力的。月球升降機(jī)一旦建成將有助于地球人對月球的進(jìn)一步探索。 月球太空升降機(jī)的材料 建造太空升降機(jī)的最大障礙來自纜索的建造。纜索將同時(shí)承受重力和離心力，因此它必須非常輕，還需極其牢固，并能夠經(jīng)受住大氣層內(nèi)外向它襲來的任何物體的撞擊。簡而言之，纜索材質(zhì)的強(qiáng)度很重要，而衡量這一數(shù)據(jù)的系數(shù)稱為比強(qiáng)度，是材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度與密度之比，即抗拉強(qiáng)度與質(zhì)量之比。 簡言之，材料的密度如果太高，并不能從中獲得額外的抗拉強(qiáng)度，因此也就不能提升最終強(qiáng)度。比強(qiáng)度越高，表明達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度所用的材料質(zhì)量越輕。 下表是太空升降梯建造的關(guān)鍵材料參數(shù)。 上表中部分材料是材料科學(xué)的一些最新進(jìn)展和已知的最優(yōu)材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度。 理論上說，比強(qiáng)度高的材料不是簡單就能得到的，它需要有強(qiáng)鍵存在，并排列組合構(gòu)成。而排列組合的方式有很多，因此能獲得的材料特質(zhì)也不盡相同。 Dyneema（超高分子量聚乙烯纖維）采用的是長線性緊密排列的聚合物鏈結(jié)構(gòu)，但在某些區(qū)域排列不理想。 Aramid芳綸卻依賴于更大的剛性分子，分子對稱性高。Zylon和M5也是如此，采用更大的剛性分子進(jìn)行排列組合，但后兩者的排列組合方式更優(yōu)，因此強(qiáng)度也更高。 讓我們再來看看石墨烯，它具有美麗的幾何結(jié)構(gòu)。碳纖維使用石墨納米片作為增強(qiáng)材料，但其結(jié)構(gòu)不如石墨烯。 碳納米管其實(shí)就是卷起來的石墨烯片，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，但彎曲破壞了二維石墨烯的平面幾何結(jié)構(gòu)，從而削弱鍵合。 卡拜，即線性碳，是由單個(gè)碳原子形成的一維純碳鏈結(jié)構(gòu)。 費(fèi)曼在演講中描述的納米世界已出現(xiàn)，成功建造月球太空升降機(jī)還會遠(yuǎn)么？ 事實(shí)證明，“月球升降機(jī)”不再是科幻小說中的幻想情節(jié)了，目前，研制太空升降機(jī)最大的挑戰(zhàn)是能否以較低成本大規(guī)模生產(chǎn)出符合比剛度要求的材料，科學(xué)家如今不斷開發(fā)出質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的碳納米管纖維材料，現(xiàn)有的此類纖維材料強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到了所需強(qiáng)度的約1/4，一旦我們能掌握碳納米管和碳炔的最佳排列方式，修建太空升降梯就將成為可能。 不過，可能仍有一些其他方面的因素需要考慮： ● 空間輻射會降低材料的抗拉強(qiáng)度嗎? ● 那蠕變呢? ● 拉緊的繩索不會有高頻振蕩和高周疲勞嗎? ● 難道對材料的韌性沒有任何要求嗎？ 韌性確實(shí)是一個(gè)至關(guān)重要的特性。有些工業(yè)陶瓷的特定剛度指數(shù)可與碳-環(huán)氧復(fù)合材料相媲美或遠(yuǎn)超其上，但它們并不適用于所有地方，比如賽車。 月球太空升降機(jī)——蜘蛛絲 蜘蛛絲的抗拉強(qiáng)度約為1GPa（它是天然纖維，因此數(shù)值會有所浮動），而這僅是建造最小的地面太空升降機(jī)所需強(qiáng)度的4％。 在自然界中，蜘蛛建造蛛網(wǎng)“電梯”已經(jīng)有數(shù)百萬年的歷史了，但它們的蛛絲似乎并未針對特定的強(qiáng)度性能進(jìn)行優(yōu)化。蜘蛛絲的強(qiáng)度不僅不如高科技碳基材料，而且性能也遠(yuǎn)低于玻璃纖維等常見的日常材料。 蜘蛛絲能夠很好地平衡抗拉強(qiáng)度和韌性的數(shù)值，因此對于建造太空升降機(jī)的纜索還是很有借鑒意義的。 顯然，蜘蛛對于蛛網(wǎng)的韌性很在意，難道我們不應(yīng)該考量登月升降機(jī)纜索的韌性嗎？我們很希望能與您進(jìn)行探討，如果您有興趣可以發(fā)郵件至mat_team@matmatch.com分享您的觀點(diǎn)。 關(guān)于Matmatch Matmatch匯集了來自全球各地的材料供應(yīng)商，能夠?yàn)槠髽I(yè)提供直接對接全球原料商的渠道；Matmatch每年有至少150萬活躍用戶，包括產(chǎn)品開發(fā)人員、產(chǎn)品設(shè)計(jì)師、學(xué)者以及各類采購代理，如果您有新材料面世，Matmatch能夠幫助您將信息直接提供給這些尋找適合項(xiàng)目的可行材料的產(chǎn)品工程師。 |
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11樓2020-06-05 22:19:45
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tzynew2樓
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nono20094樓
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