太空电梯将成真！肌腱和脊椎生物学机制让设计更合理

导读：据国外媒体报道，长期以来，太空电梯是脱离现实生活，出现在科幻小说中的主题内容之一，同时，这也是美国宇航局和其他机构进行可行性研究的课题。

据国外媒体报道，长期以来，太空电梯是脱离现实生活，出现在科幻小说中的主题内容之一，同时，这也是美国宇航局和其他机构进行可行性研究的课题。目前工程师达到的共识是，太空电梯是一个非常好的构想，但是建造过程中涉及到承受巨大的应力和压力，现有材料无法符合其要求。 然而，美国约翰·霍普金斯大学的一位数学家和一位机械工程师提出，只要电梯制造商采用更多的生物学技术，调整风险评估，并建造一些自动维修机器人，不久将来建造一部太空电梯是完全可能的。

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在一篇研究报告中，作者丹·普佩斯库（Dan Popescu）和肖恩·孙（Sean Sun）模拟了太空电梯设计，他们是基于生物结构（例如：韧带和肌腱）发现最大应力与最大拉伸强度的比率计算得出的。这比工程中使用的应力-强度比率高许多，该材料吸收作用力的能力至少是破坏作用力的两倍。

研究人员指出，像这样的应力-强度比率对于正常的土木工程项目而言是可以接受的，但对于大型建筑来讲，这个比例太过严格，无法控制失效概率。值得注意的是，太空电梯非常大，可能是人类建造的最大建筑结构。

建造太空电梯能让人类和太空物资运送至地球大气层之外，在一些太空电梯设计中，并未提及必须使用火箭。最早的太空电梯构想是1895年俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky）提出的。

从1895年开始，科学家们便开始不断地提炼更新太空电梯设计，但是电梯的基本设计并未出现变化。太空电梯包含一根固体在地球上的缆绳，通常电梯向上延伸至地球静止轨道——距离地面大约35786公里。

在缆绳的顶部末端是一个平衡物，重力和向外方向的离心力使缆绳处于紧绷状态，沿着缆绳放置一个货舱，可沿着缆绳上下移动。这个太空电梯存在的主要问题是——对超长缆绳施加压力如此大，以至于当前没有任何事物足以承受它。

在过去几十年里，已有一些大型设计比赛和提议方案用于解决这个问题，但迄今为止，没有一个方案是成功的。最近提出的解决方案是2014年谷歌公司开展的“Google X”项目，但当时没有人能够制造超过1米长的超强度碳纳米管缆绳，太空电梯建造的方案被搁置了。

据了解，碳纳米管是太空电梯工程师的巨大希望，但是这种希望可能会破灭。2006年一项研究模型预测称，在大约10万米长的纳米管缆绳中必然存在一定的缺陷，从而使缆绳整体强度降低70%。

普佩斯库在研究报告中提出了一种不同的解决方法，虽然碳纳米管从理论上是太空电梯缆绳的最佳选择，但是当前技术无法制造超过几厘米长度的碳纳米管，因此用碳纳米管制造太空电梯是不太可能的。然而，他提出采用一些复合材料——碳纳米管与其它材料结合在一起，虽然强度比纯碳纳米管弱一些，但是我们正在采用自行修复机制增强材料强度，确保超级建筑的稳定性。

这种自修复机制是至关重要的，研究人员提出一种缆绳设计，将它的方向一分为二，向上，进入一系列“堆栈段（stacked segments）”；侧向，进入一系列“平行缆绳细丝（parallel filaments）”。当任何缆绳细丝出现故障，事实上这种情况会经常发生，其影响力仅限于其自身的堆栈段，负载重量立即分担至平行缆绳，直到修理机器人到达进行替换为止。

研究人员指出，拥有这种“自动修复机制（autonomous repair mechanism）”，太空电梯能够在高应力水平下确保可靠性，同时，也可采用强度稍低的材料制造，使实际可行性更加接近。

普佩斯库指出，所有这些太空电梯模型的基础是逐渐降低的应力比，工程设计标准与生物学原理相结合。他强调称，人体跟腱和脊柱可以承受巨大应力，非常接近于它们的抗拉强度，这要比工程师设计的钢铁所承受应力强度更大。

其主要原因在于，至少在某种程度上，肌腱和脊椎拥有自我修复能力，这是钢铁材质所缺少的。研究人员认为，将肌腱和脊椎的生物学机制添加到太空电梯设计中，意味着我们无需等待未来派新型材料。

普佩斯库说：“我们认为像太空电梯这样的超级大型建筑结构设计，要充分考虑到组件可能出现故障，还需要一套自我修复机制用于替换受损组件。这样才能保证太空电梯在高负载下运行，而不会损坏其完整性。这意味着我们使用现有材料建造超级建筑结构是可能实现的！”