發布時間:2019-09-17 科技相關
來自哈佛、劍橋和哥倫比亞大學的幾位研究生,希望改變這一現狀。
他們在8月25日發表于arXiv網站的論文中,提出了一種“在技術上和經濟上具備可行性”的“月球電梯”構想。這種被命名為“Spaceline”的月球電梯,核心是一條長約32萬公里的線纜,一頭固定在月球,一頭伸向地球,末端位于距離地面43000多公里的軌道上。論文作者稱,最簡單版Spaceline的線纜重量不會超過40噸,符合當前重型運載火箭的運載能力。
在這一設想中,人們可以先乘坐航天器從地面飛到Spaceline末端,轉移進入月球電梯后,花費數天或數周時間到達月球。反過來則可以用這種方式,將月球上的礦產資源運回地球。
對此,全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩說:看上去很美,要實現很難。
中國航天科工集團二院研究員楊宇光更直接地表示:看不到成功的希望。
太空電梯的概念并不新鮮,1895年,俄羅斯科學家齊奧爾科夫斯基率先提了出來。1979年,科幻大師克拉克在小說《天堂的噴泉》中也提到這一設想。龐之浩介紹,隨著納米技術的發展,太空電梯從最初被視為科幻,逐漸讓人們看到了實現的可能。
2012年,NASA前工程師邁克爾·萊恩聲稱其創辦的公司能在8年內,利用現有技術在月球上建造太空電梯。不過如今期限將至,人們并沒有看到這座電梯的影子。
研制太空電梯的最大挑戰,在于它的纜繩。龐之浩說,這種纜繩要有數十倍于鋼材的強度,超輕的質量,以及可以接受的成本。理論研究計算表明,目前唯一能幫助人類實現太空電梯夢想的材料是碳納米管。這種材料只需縫衣針粗的一根,就能承受一輛汽車的重量;一根1米寬、像紙一樣薄的碳納米纜繩,強度就足以支撐一架太空電梯。許多國家都在對此開展攻關。
然而問題在于,這種材料還沒有研發出來。有消息稱,2013年清華大學教授魏飛帶領團隊制備出單根長度超過半米的碳納米管,創下了當時的世界紀錄。但要知道,太空電梯所需線纜的長度要達到數萬公里甚至數十萬公里量級。
鑒于碳納米管的工程應用遙遙無期,前述論文作者提出了用現有材料替代的方案,例如“Kevlar(凱夫拉)”。這是美國杜邦公司研制的一種芳綸纖維材料產品品牌,強度高、韌性好,做成防彈衣刀槍不入。不過它能否滿足太空電梯的要求,在專家眼中顯然并不樂觀。
假設材料過關,建造太空電梯還面臨許多工程難題。
已經提出的太空電梯方案有幾種,比如從地面伸向太空,頂端固定在地球靜止軌道空間站的;從月球“垂掛”下來,底部連接空間站的;或是兩端由航天器牽引,懸浮在地月之間的。楊宇光說,無論哪種太空電梯,目前都只存在理論上的可能性。對于工程實施來說,首先要大規模將材料送上天,這面臨許多技術和成本方面的問題現在無法解決。
另外,如果在地面建太空電梯,電梯的“底座”必須建在赤道附近,很可能是在人煙稀少的太平洋中間建設一個海上平臺。除了平臺要抵御風浪、避免干擾船只,電梯纜繩也要避開飛機航線,甚至防止被在軌運行的衛星或太空垃圾撞到,這都是麻煩事。
月球電梯的底端離地球有好幾萬公里,倒是不會給衛星和飛機“添堵”。但龐之浩表示:“月球圍繞地球轉動,只怕纜繩都拉不直。更別說那么長的纜繩根本無法實現。”
楊宇光說,地月運動非常復雜,具備不規則性和不確定性,由地球、月球乃至太陽引力產生的攝動,將影響到太空電梯的穩定性。
懸浮式的太空電梯兩頭不靠,但同樣躲不過引力影響。同時太空電梯還要經受空間輻射等惡劣太空環境的考驗。
再退一步說,拋開工程問題,太空電梯還面臨一個繞不開的話題——成本。
前述論文作者聲稱,建造Spaceline只需大約十億美元,53次旅行就能回本。一位作者表示:“這個太空電梯的價格之便宜讓我大吃一驚,只要一個有點想法和熱情的億萬富翁就有能力建造實現。”
這樣的成本估算讓楊宇光大吃一驚。他很委(zhi)婉(bai)地表示:別說十億,十萬億也不夠。
楊宇光說,按照目前宇航發射行情,將一公斤重的東西送到近地軌道,平均成本大約是5000到1萬美元,送到月球,成本將呈幾何增長。那么先不算材料費和各種設備的造價,光是把幾十噸材料,以及空間站、工程設施送上去,運費就得花多少?
更重要的是,這樣的月球電梯,對降低空間運輸成本的作用也很有限。楊宇光說,目前人類進入太空成本最高的是天地往返,也就是從地面出發進入軌道的階段。而Spaceline將入口設在幾萬公里高度,恰恰遺漏了這個階段。如果從近地軌道出發,利用電推進技術前往月球或深空,其實不需要太多消耗,與乘坐太空電梯相差無幾。
無論如何,太空電梯的構想為人類勾畫了美好的前景。目前美國、歐洲、日本包括中國等,都有機構在開展相關研究,業內普遍認為在本世紀內有望取得成功。龐之浩說,如果各國能夠開展合作,研制進度或許可以更快些。
而對于Spaceline這樣的月球電梯,楊宇光表示:“完全是沒影的事,我覺得100年也做不出來。”