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小木NMG

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[交流] 月球太空升降機：輕松帶你上月球

工程學的歷史是由一個一個將不可能變成可能，實現(xiàn)了宏偉飛躍的標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的發(fā)展更進一步嗎？月球太空升降機也許真能實現(xiàn)！

伯努利原理（Bernoulli’s principle）讓飛機能夠真正飛起來；埃菲爾鐵塔證明了歐拉-伯努利梁方程（Euler’s beam theory）的正確性；硅芯片和光量子結合的研究加速了下一代量子模擬器的制造進程……一切實踐都是建立在理論的基礎之上。

當代工程師可能會執(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于現(xiàn)實，如何做出能讓后世敬仰的大工程，推動社會的進步和發(fā)展。

1959年，諾貝爾獎得主理查德·費曼（Richard P. Feynman）在加州理工學院（Caltech）召開的美國物理學會大會上發(fā)表了一場題為《物質底層大有空間》（There is plenty of room at the bottom）的著名演講。這個演講被認為是現(xiàn)代微納米技術的最早來源，談論的是在微小尺度上操縱和控制物體的問題。在費曼看來，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分子，甚至原子開始出發(fā)，進行組裝，達到我們的要求？物理學的規(guī)律不排除一個原子一個原子制造物品的可能�！倍缃�，納米技術的成熟已經(jīng)實現(xiàn)了他的設想。

納米是長度單位，只有一毫米的百萬分之一，我們肉眼無法看到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，我們仍有機會感受納米技術給人類文明帶來的變化。比如“月球太空升降機（LSE）”。

顧名思義，太空升降機的原理并不復雜，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，太空升降機將利用太陽能或激光沿纜索上下運動，建成之后它可像高速公路一樣24小時不間斷運轉，將地球上的航天器、貨物和游客等帶到太空去。

現(xiàn)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。月球升降機一旦建成將有助于地球人對月球的進一步探索。

月球太空升降機的材料

建造太空升降機的最大障礙來自纜索的建造。纜索將同時承受重力和離心力，因此它必須非常輕，還需極其牢固，并能夠經(jīng)受住大氣層內外向它襲來的任何物體的撞擊。簡而言之，纜索材質的強度很重要，而衡量這一數(shù)據(jù)的系數(shù)稱為比強度，是材質的抗拉強度與密度之比，即抗拉強度與質量之比。

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度，因此也就不能提升最終強度。比強度越高，表明達到相應強度所用的材料質量越輕。

下表是太空升降梯建造的關鍵材料參數(shù)。

上表中部分材料是材料科學的一些最新進展和已知的最優(yōu)材料設計強度。

理論上說，比強度高的材料不是簡單就能得到的，它需要有強鍵存在，并排列組合構成。而排列組合的方式有很多，因此能獲得的材料特質也不盡相同。

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構，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行排列組合，但后兩者的排列組合方式更優(yōu)，因此強度也更高。

讓我們再來看看石墨烯，它具有美麗的幾何結構。碳纖維使用石墨納米片作為增強材料，但其結構不如石墨烯。

碳納米管其實就是卷起來的石墨烯片，六邊形結構連接完美，但彎曲破壞了二維石墨烯的平面幾何結構，從而削弱鍵合。

卡拜，即線性碳，是由單個碳原子形成的一維純碳鏈結構。

費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還會遠么？

事實證明，“月球升降機”不再是科幻小說中的幻想情節(jié)了，目前，研制太空升降機最大的挑戰(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，科學家如今不斷開發(fā)出質量輕、強度高的碳納米管纖維材料，現(xiàn)有的此類纖維材料強度已經(jīng)達到了所需強度的約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？

韌性確實是一個至關重要的特性。有些工業(yè)陶瓷的特定剛度指數(shù)可與碳-環(huán)氧復合材料相媲美或遠超其上，但它們并不適用于所有地方，比如賽車。

月球太空升降機——蜘蛛絲

蜘蛛絲的抗拉強度約為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所需強度的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度性能進行優(yōu)化。蜘蛛絲的強度不僅不如高科技碳基材料，而且性能也遠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度和韌性的數(shù)值，因此對于建造太空升降機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，難道我們不應該考量登月升降機纜索的韌性嗎？我們很希望能與您進行探討，如果您有興趣可以發(fā)郵件至mat_team@matmatch.com分享您的觀點。

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