工程学的历史是由一个一个将不可能变成可能,实现了宏伟飞跃的标志性工程所串连起来的。屏幕前的你会好奇工程发展的未来是通向何方吗?人们对宇宙的探索会让工程学的发展更进一步吗?月球太空升降机也许真能实现!
伯努利原理(Bernoulli’s principle)让飞机能够真正飞起来;埃菲尔铁塔证明了欧拉-伯努利梁方程(Euler’s beam theory)的正确性;硅芯片和光量子结合的研究加速了下一代量子模拟器的制造进程……一切实践都是建立在理论的基础之上。
当代工程师可能会执着于深挖这些科技理论,然后思考如何将这些理论更好地服务于现实,如何做出能让后世敬仰的大工程,推动社会的进步和发展。
1959年,诺贝尔奖得主理查德·费曼(Richard P. Feynman)在加州理工学院(Caltech)召开的美国物理学会大会上发表了一场题为《物质底层大有空间》(There is plenty of room at the bottom)的著名演讲。这个演讲被认为是现代微纳米技术的最早来源,谈论的是在微小尺度上操纵和控制物体的问题。在费曼看来,人类社会目前的生产方式总是“从上而下” (bottom up)的。他提出:“为什么我们不可以从单个分子,甚至原子开始出发,进行组装,达到我们的要求?物理学的规律不排除一个原子一个原子制造物品的可能。”而如今,纳米技术的成熟已经实现了他的设想。
纳米是长度单位,只有一毫米的百万分之一,我们肉眼无法看到1纳米是多少,想象一下,一根头发是75000纳米,一条DNA双链差不多是2纳米宽。
虽然,它无法像巨大的埃及金字塔那样让我们一看就惊叹其壮美;但是,我们仍有机会感受纳米技术给人类文明带来的变化。比如“月球太空升降机(LSE)”。
顾名思义,太空升降机的原理并不复杂,就是一条长长的缆索一端固定在地球上,另一端固定在地球同步轨道的平衡物(如大型卫星或空间站)上。在引力和向心加速度的相互作用下,缆索被绷紧,太空升降机将利用太阳能或激光沿缆索上下运动,建成之后它可像高速公路一样24小时不间断运转,将地球上的航天器、货物和游客等带到太空去。
现在进入太空的主要工具是运载火箭,它是通过消耗大量燃料来摆脱地球引力的。月球升降机一旦建成将有助于地球人对月球的进一步探索。
月球太空升降机的材料
建造太空升降机的最大障碍来自缆索的建造。缆索将同时承受重力和离心力,因此它必须非常轻,还需极其牢固,并能够经受住大气层内外向它袭来的任何物体的撞击。简而言之,缆索材质的强度很重要,而衡量这一数据的系数称为比强度,是材质的抗拉强度与密度之比,即抗拉强度与质量之比。
简言之,材料的密度如果太高,并不能从中获得额外的抗拉强度,因此也就不能提升最终强度。比强度越高,表明达到相应强度所用的材料质量越轻。
下表是太空升降梯建造的关键材料参数。
抗拉强度
(GPa)
密度
(g/cm3)
强度系数
(kN·
m/kg)
Carbyne卡拜
390
6×107
Graphene石墨烯
130.5
2.09
62453
Carbon Nanotube碳纳米管
50
1.34
46268
Carbon Fiber碳纤维
7
1.79
3911
Zylon柴隆
5.8
1.5
3766
Dyneema
3.6
0.97
3711
Aramid芳纶
3.6
1.4
2514
M5
5.7 (9 ?)
1.7
3352
Spider Silk蜘蛛丝
1.4
1.31
1068
上表中部分材料是材料科学的一些最新进展和已知的最优材料设计强度。
理论上说,比强度高的材料不是简单就能得到的,它需要有强键存在,并排列组合构成。而排列组合的方式有很多,因此能获得的材料特质也不尽相同。
Dyneema(超高分子量聚乙烯纤维)采用的是长线性紧密排列的聚合物链结构,但在某些区域排列不理想。
Aramid芳纶却依赖于更大的刚性分子,分子对称性高。Zylon和M5也是如此,采用更大的刚性分子进行排列组合,但后两者的排列组合方式更优,因此强度也更高。
让我们再来看看石墨烯,它具有美丽的几何结构。碳纤维使用石墨纳米片作为增强材料,但其结构不如石墨烯。
碳纳米管其实就是卷起来的石墨烯片,六边形结构连接完美,但弯曲破坏了二维石墨烯的平面几何结构,从而削弱键合。
卡拜,即线性碳,是由单个碳原子形成的一维纯碳链结构。
费曼在演讲中描述的纳米世界已出现,成功建造月球太空升降机还会远么?
事实证明,“月球升降机”不再是科幻小说中的幻想情节了,目前,研制太空升降机最大的挑战是能否以较低成本大规模生产出符合比刚度要求的材料,科学家如今不断开发出质量轻、强度高的碳纳米管纤维材料,现有的此类纤维材料强度已经达到了所需强度的约1/4,一旦我们能掌握碳纳米管和碳炔的最佳排列方式,修建太空升降梯就将成为可能。
不过,可能仍有一些其他方面的因素需要考虑:
● 空间辐射会降低材料的抗拉强度吗?
● 那蠕变呢?
● 拉紧的绳索不会有高频振荡和高周疲劳吗?
● 难道对材料的韧性没有任何要求吗?
韧性确实是一个至关重要的特性。有些工业陶瓷的特定刚度指数可与碳-环氧复合材料相媲美或远超其上,但它们并不适用于所有地方,比如赛车。
月球太空升降机——蜘蛛丝
蜘蛛丝的抗拉强度约为1GPa(它是天然纤维,因此数值会有所浮动),而这仅是建造最小的地面太空升降机所需强度的4%。
在自然界中,蜘蛛建造蛛网“电梯”已经有数百万年的历史了,但它们的蛛丝似乎并未针对特定的强度性能进行优化。蜘蛛丝的强度不仅不如高科技碳基材料,而且性能也远低于玻璃纤维等常见的日常材料。
蜘蛛丝能够很好地平衡抗拉强度和韧性的数值,因此对于建造太空升降机的缆索还是很有借鉴意义的。
显然,蜘蛛对于蛛网的韧性很在意,难道我们不应该考量登月升降机缆索的韧性吗?我们很希望能与您进行探讨,如果您有兴趣可以发邮件至mat_team@matmatch.com分享您的观点。
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