纳米技术太空电梯

像大多数著名的Tai 空探索革命思想一样，Tai 空电梯可以追溯到俄罗斯/苏联火箭科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基。当时他负责开发火箭方程，设计火箭，现代大部分火箭都是从这个方程衍生出来的。在他更大胆的思考中，他提出了人类如何在Tai 空建造一个旋转的Tai 空电梯。这个提议的灵感来自于他1895年的巴黎之行，在那里他第一次目睹了埃菲尔铁塔。从这次旅行中，Ziokowski设想了一个到达地球静止轨道或36，000公里高度的结构。然而，Ziokowski想法的版本需要压缩结构，而不是悬挂结构。他还指出，这种想法是不现实的，因为没有已知的材料足以支撑站立结构的重量。

在Tai 空时代开始之前，苏联和美国的科学家重新研究了这个想法，认为它可能是一种悬挂结构。比如苏联工程师尤里·阿尔祖·塔诺夫提出的“开往宇宙的电动火车”的建议，美国工程师在1966年提出的“Tai 空移动模块”。当时，科学家们希望这种电力结构可以通过太阳能电池板、核反应堆、无线或直接能量传输来提供动力。从早期的Tai 空时代开始，这个概念基本上没有改变，这个结构所提出的好处也基本上没有改变。

但回到现实，Tai 空电梯需要一根超材料电缆将轨道上的空站连接到地球表面。我们星球的自转会让这个系绳保持不变。电梯运送人和有效载荷往返于Tai 空。与这种结构相关的工程挑战和成本一直是巨大的。但是几乎每十年，新的研究都会促使工程师和太空机构重新评估这个概念。最大的挑战一直是电缆，因为没有已知的材料有足够的强度来处理所涉及的应力。但是最后还是取得了一些进展，但是是由美国、日本、韩国的科学家提出来的。

Tai 空电梯有很多优点，其中最明显的是能够将有效载荷和人送入Tai 空。它的成本比火箭发射要便宜很多，即使是SpaceX的可回收火箭。它还可以帮助我们在轨道上建造航天器和空站，从而无需在地球上制造它们各自的组件或模块，并用重型火箭发射到Tai 空。这个工艺不便宜！美国科学家计算过，使用Tai 空电梯将有效载荷送入轨道的成本可以低至每磅113美元。

另一个优势是Tai 空电梯是一种“绿色技术”，可以将大量有效载荷送入轨道，不受火箭发射环境的影响。根据目前的研究，一次火箭发射可以向高层大气释放多达300吨的二氧化碳。鉴于对卫星发射、宽带互联网和近地轨道商业化的需求日益增加，它可能成为人为气候变化的最大影响因素。相比之下，Tai 空电梯不会产生有害的温室气体排放，可以通过天基太阳能和核反应堆的结合来提供动力。此外，Tai 空升降机将降低每千克有效载荷转移到轨道的成本，它比数百或数千枚火箭发射的效率更高。

的确，在我们日常的理解中，火箭非常擅长将少量的高价值有效载荷快速送入Tai 空。随着火星殖民地、月球村、太空太阳能的规划，太空的轨道经济发展迅速。火箭的关键限制是，它不能扩展到可持续地向Tai 空运送大量非常重的科学载荷。火箭方程已经告诉我们，即使是SpaceX starship也只能将发射台2%的质量送入近地轨道。

“我们团队认为，Tai 空电梯基础设施的发展是人类拯救大气层、实现大胆地外探索的必要条件。火箭是我们实现这些梦想的历史性途径，但它们既没有动力也没有能力满足人类的需求。未来大家都会明白，火箭是梦想的杀手——极低的发射数据，对大气层的破坏。我们得乘Tai 空电梯。我们相信先进火箭与Tai 空电梯的合作将是我们的目标未来。”

长期以来，如何做才是关键，之前提出的每一个概念评价都有一个致命的弱点。简而言之，too 空电梯，因为没有已知的材料具有支撑结构重量的抗拉强度。“金属的问题在于，虽然它们很坚固，但也很重。我们想要既结实又轻便的东西。这说明我们应该研究现代合成和复合材料。比如凯夫拉尔……...在被打破之前可以保持124英里的垂直长度——令人印象深刻，但离要求的3100英里还差得很远。”

20世纪90年代，随着碳纳米管的发展，人们重新对Tai 空电梯产生了兴趣。1999年6月，美国航天局的一个办公室说，中枢神经系统可以使Tai 空电梯成为可能。像碳纳米管一样，石墨烯是碳的同素异形体，由排列成六角形晶格结构的单层原子组成。与CNs不同，石墨烯是以薄片形式排列的二维材料。美国一所大学的科学家发现了这种材料，并因“对二维石墨烯的开创性实验”获得2010年诺贝尔物理学奖。

这种材料具有令人难以置信的电学性能，但它也具有令人难以置信的拉伸强度。单晶石墨烯片的抗拉强度约为钢的200倍，高达130 GPa，在《NAIC II报告》关于电梯电缆规定的公差范围内。去年我看到46位科学家联名向NASA详细介绍了石墨烯的潜力。之后，美国宇航局会见了商业航天部门的代表，讨论相互援助的机会。在他们的演讲中，他们展示了石墨烯的生产如何能够达到生产千米级连续石墨烯纤维的水平。其实石墨烯已经不是那么神秘的技术了。美国一所大学的科学家开发了一种连续卷对卷技术，可以以每分钟2米左右的速度大面积生产石墨烯。另外，美国的一些商业公司最近也在批量制造结晶石墨烯，采用CVD法。

在韩国，一家公司宣布，他们可以以每分钟2米的速度制造出长度为1公里的多晶石墨烯片。这些公司都在生产用于电子产品的多晶石墨烯，而不是抗拉强度最高的2D单晶。但是正如科学家解释的那样，他们正朝着正确的方向前进:

“我们开始看到一些公司正在制造大面积的片状石墨烯。虽然这种方法旨在生产石墨烯电极，以实现轻便灵活的太阳能设备和显示器，但这种技术可以用于制造电缆材料。关键是要权衡抗拉强度与生产过程的速度和成本效益，从而确定哪种超材料的成本效益平衡最高。我们研究了三种候选材料:碳纳米管、石墨烯和六方氮化硼hBN。HBN是另一种2D材料，几乎与石墨烯一样坚固，也是一种候选的系绳材料。制造2D材料和碳纳米管的过程称为化学气相沉积CVD法。CVD工艺使用甲烷气体来制造石墨烯，这是一种廉价的原料，也是当前工业制造的基础。”

正如他们得出的结论，尽管hBN的抗拉强度稳定，其制造工艺也很有前途，但它不具备制造电缆所需的规模和速度。石墨烯结合了两个世界的精华，被用来创造单晶品种。另外，科学家经过计算得到一个数据，生产足够的材料只需要180亿美元，比NASA 2022年240亿美元的预算还要少。更令人兴奋的是，他们进一步估计，如果得到正确的支持和开发，生产单晶2D石墨烯片的价格可能会降至每平方米1美分，这意味着它可能需要36亿美元，约占美国宇航局2022年预算的15%。此外，科学家们希望让Tai 空电梯先在地球上进行一些实验，并在大西洋、印度洋和太平洋等地制造两部电梯。

对于精明的too 空观察者和商业too 空部门来说，其中一些好处听起来一定很熟悉，而且非常具体。简而言之，Tai 空电梯将帮助埃隆·马斯克(elon musk)实现从现在到2050年将100万人送上火星的愿景，而贝佐斯则可以实现他在轨道和拉格朗日建立永久居住区的梦想，从而形成太阳系中拥有1万亿人口的文明。除了这种情况，不会涉及成千上万的火箭把小有效载荷送入Tai 空，耗资数千亿，也不会对地球造成伤害。

当然，实现这一目标需要做很多事情，其中最重要的是世界上所有国家和商业部门都应该投资这一理念。今年，在将于9月18日至22日在巴黎举行的国际天文学大会IAC上，科学家们将鼓励大家投资于可解决的现实交通问题。

“总而言之，Tai 空世界甚至不知道2D材料的存在，而那些知道石墨烯和hBN的人也不知道2D材料的制造正在取得惊人的进展。我们希望通过一份经过精心研究的报纸来传播这一消息。Tai 空电梯不是科幻，它更接近工程事实。Tai 空电梯在我们有生之年能造出来吗？是的，当然，这取决于人们对这项令人惊叹的技术投入了多少精力。”

“我们正处于一个激动人心的时代，更低的成本，更多的竞争，更多的合作，让人类更容易进入Tai 空。在这个兴趣更加活跃和更新的时代，许多曾经被认为不可行的科幻概念正在被重新评估。然而，在成本效益分析中，很少有其他想法具有空电梯的潜力。

在论文的最后，科学家们还列出了拥有too 空电梯的好处:

支持《巴黎协定》实现天基太阳能发电

为商业企业、研究和旅行创造无限的机会

将有效载荷提升为通往Tai 空的绿色道路有助于保护我们的大气层。

在Tai 空大展宏图，改善地球人的生活。

能够尽快完成大型项目，比如月球表面基地。

允许定期、安全、稳定地快速进入轨道。

允许宇航员和有效载荷快速运送到火星。

允许每天发射火星任务。

能够在地面服务区、拉格朗日点及更远的地方制造空站。

这些科学家不仅来自NASA，还有一些军事领域的科学家，世界知名大学等领域的科学家，相当牛逼。总而言之，首先希望大家多多关注这种国际大会。上面提到的国际天文学大会将于9月18日不见不散~