建造一座太空电梯？长期以来材料瓶颈难破解 但终于有人想出一个新方案

建造太空电梯的想法长期以来一直存在于科幻小说当中，也是NASA和一些航空巨头经常琢磨的一大主题。很多工程师认为这是个很棒的主意，但用“太空电梯”的建造涉及到巨大压力和张力，现有的材料无法满足建筑工程中这一方面的压力。

（图源：The Space Academy）

不过，最近来自美国约翰霍普金斯大学的数学家和机械工程师建议，在不久的将来建造电梯是完全有可能的——只要制造商准备好从生物学、仿生学中汲取灵感，调整风险评估，并建立一些可以实现自动化修复的机器人。

丹·波佩斯库(Dan Popescu)和肖恩·孙(Sean Sun)对太空电梯的工程进行了建模，根据生物结构中发现的最大应力与最大拉伸强度的比率进行计算，例如韧带和肌腱。这大大高于工程中使用的应力-强度比，其中用于吸收力的材料的能力至少是力本身的破坏力的两倍。

作者们说，这样的比例对于一般的土木工程项目来说很不错，但是“在大型结构的情况下，对这两方面的要求都非常严格，并且无法充分控制失败的可能性”。

值得一提的是，太空电梯可能会是人类建造的最大建筑物之一。

“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。

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。

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”。

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”，确保高应力水平下的可靠性，同时允许使用较弱材料进行施工，从而使实际可行性更加接近。

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。