太空電梯將成真！肌腱和脊椎生物學(xué)機(jī)制讓設(shè)計(jì)更合理

新浪科技訊 北京時(shí)間6月11日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，長(zhǎng)期以來(lái)，太空電梯是脫離現(xiàn)實(shí)生活，出現(xiàn)在科幻小說(shuō)中的主題內(nèi)容之一，同時(shí)，這也是美國(guó)宇航局和其他機(jī)構(gòu)進(jìn)行可行性研究的課題。目前工程師達(dá)到的共識(shí)是，太空電梯是一個(gè)非常好的構(gòu)想，但是建造過(guò)程中涉及到承受巨大的應(yīng)力和壓力，現(xiàn)有材料無(wú)法符合其要求。

然而，美國(guó)約翰·霍普金斯大學(xué)的一位數(shù)學(xué)家和一位機(jī)械工程師提出，只要電梯制造商采用更多的生物學(xué)技術(shù)，調(diào)整風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并建造一些自動(dòng)維修機(jī)器人，不久將來(lái)建造一部太空電梯是完全可能的。

在一篇研究報(bào)告中，作者丹·普佩斯庫(kù)（Dan Popescu）和肖恩·孫（Sean Sun）模擬了太空電梯設(shè)計(jì)，他們是基于生物結(jié)構(gòu)（例如：韌帶和肌腱）發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力與最大拉伸強(qiáng)度的比率計(jì)算得出的。這比工程中使用的應(yīng)力-強(qiáng)度比率高許多，該材料吸收作用力的能力至少是破壞作用力的兩倍。

研究人員指出，像這樣的應(yīng)力-強(qiáng)度比率對(duì)于正常的土木工程項(xiàng)目而言是可以接受的，但對(duì)于大型建筑來(lái)講，這個(gè)比例太過(guò)嚴(yán)格，無(wú)法控制失效概率。值得注意的是，太空電梯非常大，可能是人類(lèi)建造的最大建筑結(jié)構(gòu)。

建造太空電梯能讓人類(lèi)和太空物資運(yùn)送至地球大氣層之外，在一些太空電梯設(shè)計(jì)中，并未提及必須使用火箭。最早的太空電梯構(gòu)想是1895年俄羅斯科學(xué)家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky）提出的。

從1895年開(kāi)始，科學(xué)家們便開(kāi)始不斷地提煉更新太空電梯設(shè)計(jì)，但是電梯的基本設(shè)計(jì)并未出現(xiàn)變化。太空電梯包含一根固體在地球上的纜繩，通常電梯向上延伸至地球靜止軌道——距離地面大約35786公里。

在纜繩的頂部末端是一個(gè)平衡物，重力和向外方向的離心力使纜繩處于緊繃狀態(tài)，沿著纜繩放置一個(gè)貨艙，可沿著纜繩上下移動(dòng)。這個(gè)太空電梯存在的主要問(wèn)題是——對(duì)超長(zhǎng)纜繩施加壓力如此大，以至于當(dāng)前沒(méi)有任何事物足以承受它。

在過(guò)去幾十年里，已有一些大型設(shè)計(jì)比賽和提議方案用于解決這個(gè)問(wèn)題，但迄今為止，沒(méi)有一個(gè)方案是成功的。最近提出的解決方案是2014年谷歌公司開(kāi)展的“Google X”項(xiàng)目，但當(dāng)時(shí)沒(méi)有人能夠制造超過(guò)1米長(zhǎng)的超強(qiáng)度碳納米管纜繩，太空電梯建造的方案被擱置了。

據(jù)了解，碳納米管是太空電梯工程師的巨大希望，但是這種希望可能會(huì)破滅。2006年一項(xiàng)研究模型預(yù)測(cè)稱(chēng)，在大約10萬(wàn)米長(zhǎng)的納米管纜繩中必然存在一定的缺陷，從而使纜繩整體強(qiáng)度降低70%。

普佩斯庫(kù)在研究報(bào)告中提出了一種不同的解決方法，雖然碳納米管從理論上是太空電梯纜繩的最佳選擇，但是當(dāng)前技術(shù)無(wú)法制造超過(guò)幾厘米長(zhǎng)度的碳納米管，因此用碳納米管制造太空電梯是不太可能的。然而，他提出采用一些復(fù)合材料——碳納米管與其它材料結(jié)合在一起，雖然強(qiáng)度比純碳納米管弱一些，但是我們正在采用自行修復(fù)機(jī)制增強(qiáng)材料強(qiáng)度，確保超級(jí)建筑的穩(wěn)定性。

這種自修復(fù)機(jī)制是至關(guān)重要的，研究人員提出一種纜繩設(shè)計(jì)，將它的方向一分為二，向上，進(jìn)入一系列“堆棧段（stacked segments）”；側(cè)向，進(jìn)入一系列“平行纜繩細(xì)絲（parallel filaments）”。當(dāng)任何纜繩細(xì)絲出現(xiàn)故障，事實(shí)上這種情況會(huì)經(jīng)常發(fā)生，其影響力僅限于其自身的堆棧段，負(fù)載重量立即分擔(dān)至平行纜繩，直到修理機(jī)器人到達(dá)進(jìn)行替換為止。

研究人員指出，擁有這種“自動(dòng)修復(fù)機(jī)制（autonomous repair mechanism）”，太空電梯能夠在高應(yīng)力水平下確保可靠性，同時(shí)，也可采用強(qiáng)度稍低的材料制造，使實(shí)際可行性更加接近。

普佩斯庫(kù)指出，所有這些太空電梯模型的基礎(chǔ)是逐漸降低的應(yīng)力比，工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與生物學(xué)原理相結(jié)合。他強(qiáng)調(diào)稱(chēng)，人體跟腱和脊柱可以承受巨大應(yīng)力，非常接近于它們的抗拉強(qiáng)度，這要比工程師設(shè)計(jì)的鋼鐵所承受應(yīng)力強(qiáng)度更大。

其主要原因在于，至少在某種程度上，肌腱和脊椎擁有自我修復(fù)能力，這是鋼鐵材質(zhì)所缺少的。研究人員認(rèn)為，將肌腱和脊椎的生物學(xué)機(jī)制添加到太空電梯設(shè)計(jì)中，意味著我們無(wú)需等待未來(lái)派新型材料。

普佩斯庫(kù)說(shuō)：“我們認(rèn)為像太空電梯這樣的超級(jí)大型建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要充分考慮到組件可能出現(xiàn)故障，還需要一套自我修復(fù)機(jī)制用于替換受損組件。這樣才能保證太空電梯在高負(fù)載下運(yùn)行，而不會(huì)損壞其完整性。這意味著我們使用現(xiàn)有材料建造超級(jí)建筑結(jié)構(gòu)是可能實(shí)現(xiàn)的！”（葉傾城）