垂直交通空间时代

从科幻小说到可行的工程解决方案和新兴市场

作者：Yuval Valiano-Rips 和 Maya Glickman-Pariente

这篇论文在西班牙巴塞罗那举行的 2022 年国际电梯和自动扶梯研讨会上发表。 

1。 抽象

太空电梯是从地面到地球静止轨道的基于电缆的垂直运输 (VT) 运载工具的众所周知的概念。 在过去的一个世纪里，科幻作家和科学家们一直在讨论这一尚未实现的挑战。

尽管太空电梯的潜在市场巨大，但建造所需的材料仍有待商业化，技术也需要成熟。

与此同时，VT 的新市场将在 2030 年代初期出现，其中包括前往月球和火星的任务，电梯公司必须在其中发挥主导作用。

很少有太空计划已经启动和资助在月球、火星和更远的地方建立人类住区。 主要计划是由美国宇航局牵头的“阿耳emi弥斯”国际任务，其中包括到2025年在月球表面建造可居住的大本营，到2035年在火星上建造可居住的大本营。

这些新定居点将需要不同类型的 VT 解决方案——包括人员和货物。

应对挑战，例如将大量设备从垂直着陆的宇宙飞船向下（和向上）带到地表，从地下矿山垂直运输支撑营地所需的材料，或者只是从地表前往地下栖息地的安全地带，需要我们重新构想电梯：不同的重力、不同的大气密度和成分、更强的辐射以及我们行业应该开始应对的其他挑战。 

这些新的 VT 用例与几家公司已经计划的新太空时代酒店一起加入。 为在环绕地球的低地球轨道 (LEO) 中度过美好假期而建造的空间站也需要解决方案来运送人们。

太空相关行业、火车或汽车行业或其他科技公司可以解决这些问题。 但我们相信，VT 行业必须在任何其他行业领先之前准备好迎接未来几十年的需求。

在我们的论文中，我们研究了这个新市场面临的挑战（太空环境、市场机会、当前架构等），并为希望开展太空业务的电梯公司提出了不同的解决方案和路线图。

电梯在新太空时代的作用目前只有了解太空而不是电梯的太空相关公司才能解决。

该论文的主要结论是，现在是电梯企业开始研发电梯与空间环境之间的关系以实现可安装的经空间验证的电梯模块的最佳时机。

本文呼吁我们行业采取行动。

2. 论文动机——电梯和新空间 

在过去的 20 年里，人类不断出现在太空中。 在接下来的几十年里，我们将进入人类作为多行星物种迈出第一步的时代。 月球和火星上的人类栖息地已经在规划中。 这些设施将需要 VT 解决方案来将设备、物资和人员从着陆器卸载到地表下的陨石坑、熔岩管和洞穴中，并进行地下活动，我们将在月球和火星地面上收获地下冰和建筑材料。 越来越大的宇宙飞船和空间站——其中一些被规划为大型“太空旅馆”——也将需要在垂直和水平方向上长距离运送人员。

2.1 我们的整体观

在未来几年，我们将看到对用于地外环境（月球、火星和太空旅馆）的 VT 解决方案的需求不断增加。 因此，我们认为现在是构建概念、寻找材料并创建满足这些电梯所有要求的设计的时候了。

经太空验证的电梯材料和部件的商业环境将在这十年内开始发展，全球电梯行业必须成为这一重要努力的一部分。 如果我们不带头，另一个行业将承担规划和构建这些交通解决方案的角色：航天工业、火车公司或其他技术或交通行业。

此外，通过在地面上引入更坚固、更轻、更高效的电梯材料、组件和工艺，为航天工业创造和测试与电梯相关的材料和产品将回旋镖（旋转）回到地球上的“常规”电梯.

2.2 什么已经在建设中？

每个计划将人类或货物降落在另一个天体上的太空公司或组织都会根据他们定义的要求构建其 VT 解决方案以适应其车辆和任务。 目前需要某种外星电梯的一些天基建筑是 SpaceX（计划到 2025 年使用其“星际飞船”舰队将人类送上月球，到 2035 年送上火星）、NASA（计划将人类送上月球） 2024 年）以及更多。

其他有远见的计划包括需要某种垂直和水平运输解决方案的太空旅馆。 未来，他们肯定会利用向心力来利用人造重力，那么 VT 解决方案将是至关重要的。

3. 挑战

当人们想到太空和电梯时，总会想到太空电梯（或月球电梯）的概念。 但是有一个更为紧迫的交通解决方案将在这十年内实施：月球和火星着陆器的 VT 解决方案。 这些着陆器垂直着陆，高 30-50 米，可以有多层存储，将需要 VT 解决方案来装载和卸载月球和火星表面的设备和人员。

在接下来的十年里，我们计划在月球和火星上看到越来越大的太空基地，甚至殖民地，可能部分位于地下或大型洞穴和熔岩管中。 这些人类栖息地将需要适合恶劣环境和需求的电梯。 这些殖民地将从当地开采和收获尽可能多的材料，因为从地球运送货物非常昂贵。 这些工作领域和采石场也需要 VT 解决方案。

在更远的未来，到本十年末，我们可以期待建造更大的空间结构，甚至用于娱乐，有或没有人造重力。 他们也需要电梯和自动人行道。

4. 空间环境挑战

太空是可以想象到的最极端的环境之一。 在地球的保护性大气层之外，物体会受到极端温度的影响，包括冷热、快速的温度梯度和显着增加的辐射效应威胁。 由于一种称为“放气”的现象，太空中的真空对人类和材料也是一个巨大的挑战。 

航天器必须应对的第一个极端条件是发射。 所有的航天器和人类都是由火箭发射到太空的。 火箭和航天器需要携带数吨推进剂，以提供足够的能量来逃避地球的引力。 由于地球引力的作用，你想要送入太空的物体越大越重，火箭和推进剂也会越大越重。 将航天器和/或卫星送入轨道的火箭也会产生机械冲击和振动，并用非常响亮的声波对其进行冲击。

太空或月球上的温度范围从极冷（接近绝对零）到在阳光直射下的数百度以上。 最重要的是，温度梯度非常大，达到约 200°C/min。

来自我们自己的太阳和宇宙中其他恒星的辐射由于电子、质子、阿尔法粒子和伽马射线等高能带电粒子而对电子设备极其危险，并且还可能导致原子位移或持久的总电离剂量效应。

4.1 空间材料

由于高能辐射粒子、原子氧、微流星体、轨道碎片和紫外线辐射等轨道环境的协同作用，以及热暴露，空间（或月球和火星）环境对材料的影响非常严重和复杂. 此外，与污染相关的表面退化会对光学性能产生负面影响。 在电梯的案例中，吊索、轿厢等部件都会受到恶劣空间环境的影响。 因此，电梯设计师必须深入了解电梯运行的具体环境，从而能够选择适当的材料，最大限度地提高安全性和工程性能，延长使用寿命并降低风险。

太空任务需要能够在极端高温、热梯度、冲击和辐射下保持功能完整性的材料。 太空中使用的一些材料是铝、镍、钛及其合金、钢和填充材料； 芳纶、二氧化硅和二氧化硅基材料、基于丙烯酸和甲基丙烯酸聚合物的聚合物、聚碳酸酯和一些聚苯乙烯等级。

5. 行动呼吁

在撰写本文期间，我们会见了地外电梯相关组织中一些最有影响力的人。 他们一致认为，现在是大型电梯公司介入并在设计这些新的、开创性的 VT 解决方案中发挥重要作用并引领建立经空间验证的电梯部件和材料生态系统以支持未来的时候了。新太空时代的VT。

6. 太空电梯——历史和科学现状 

6.1 什么是太空电梯？

我们不能不想起太空电梯的概念来写这篇论文，这个概念几十年来一直激发着研究人员和科幻作家的思想，直到写这篇论文的时候，它是电梯和太空领域的唯一联系。 

太空电梯是一个有 100 年历史的基于电缆（系留）VT 飞行器的概念，它固定在地面上并延伸到地球静止轨道，距离地球赤道上方约 35,800 公里。 在这个高度，轨道上的物体看起来是静止的，这意味着它几乎会停留在地球表面同一点的上方。

因此，一根足够轻且足够结实的电缆（系绳）从地球静止轨道上的物体下降并锚定在地球表面，将保持恒定的张力，并且该物体将在锚点的正上方旋转。

过去，太空电梯被认为只不过是一个科幻小说的想法，但由于过去十年的大量研究和技术进步，我们现在离这个想法成为现实的时刻更近了。

6.2 为什么人类不能永远使用火箭？

目前，人类将有效载荷送入轨道的唯一选择是使用火箭，这种方法风险大、污染严重且成本高。

表 1 显示了一些估计在那些年应该达到成熟的主要项目的人类空间交付需求的假设（以公吨为单位）。

公吨需求	2031	2035	2040	2045
太空太阳能	40,000	70,000	100,000	130,000
核材料处置	12,000	18,000	24,000	30,000
小行星采矿	1,000	2,000	3,000	5,000
星际飞行	100	200	300	350
GEO 创新任务	347	365	389	400
太阳系殖民	50	200	1,000	5,000
市场营销与广告	15	30	50	100
L-1 的遮阳帘	5,000	10,000	5,000	3,000
当前的 GEO 卫星 + LEO	347	365	389	400
每年总公吨数	58,859	101,160	134,128	174,250

尽管火箭的效率越来越高，但它们都必须遵守 Tsiolkovsky 火箭方程： 

地点：

Δ 是车辆在不受外力作用下的最大速度变化量。
₀ 是初始总质量，包括推进剂，“湿质量”。
是没有推进剂的最终总质量，也就是干质量。
是有效排气速度，其中：
是时间维度上的比冲量。
₀ 是标准重力。
是自然对数函数。

因此，所有火箭仍然需要大量燃料才能将火箭质量的一小部分送入太空。 我们可以看看下一个登月火箭的例子：

升空时的总火箭质量 = 100%，其中：

• 到达 LEO 的助推级 + 燃料约为 95%
• 到达 GEO（地球静止轨道）的燃料和发动机质量约为 1.6%
• 插入月球轨道的燃料质量约为1.5%
• 离轨登陆月球的质量约为1.4%

月球上的最终质量仅为火箭初始质量的 0.5%！

此外，火箭会因二氧化碳而导致全球变暖₂ 大气中的排放。

许多与太空相关的机构、公司、大学和其他组织在前几年对这一主题进行了大量研究，例如当今该领域的领导者国际太空电梯联合会（ISEC），领导月球的 LiftPort 集团锚定太空电梯的概念和研究、NSS（美国国家太空协会）、美国国家航空航天局、欧洲航天局、日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 等——它们已经加入了太空电梯的工程工作。

2018 年，JAXA 与日本静冈大学一起向太空发射了基于立方体卫星的太空电梯实验，其中包括使用电缆在两颗卫星之间驾驶微型电梯车厢。

在过去的 15 年里，出现了很多开发太空电梯组件的竞赛，其中包括 X 奖、JSEA（日本太空电梯协会）、BASPEC（巴伐利亚太空电梯挑战赛）等。

6.3 太空电梯架构

自从最初提出太空电梯以来，已经研究和发布了许多不同的架构。 几乎所有这些都包含相同的基本四个组件：

1. 基站——地表的锚点
2. 配重——一个轨道空间站。
3. 系绳（主缆）
4. 登山者（电梯轿厢）

主要挑战之一是找到一种既能承受极端张力又能承受恶劣太空环境的电缆材料。 直到最近几年，主要的目标材料还是碳纳米管。 这些纳米管状丝，如果是纯净的，没有任何缺陷，就可以满足张力要求。 但是，即使在全球许多研究实验室进行了几十年的研发之后，仍然没有人知道如何制造一种足够纯净的材料，其长度超过几十厘米，更不用说数千公里了。 多年来，碳纳米管仍在研究中，制造方法也在不断改进。

由于太空电梯的电缆必须在从地面到地球静止轨道并进一步进入太空的整个过程中支撑其质量以抵抗地球引力，因此电缆的抗拉强度是一项正在研究的主要挑战。 电缆的质量很难准确估计，因为它取决于整个系统的最终架构。 在合理的架构假设下，电缆所需的可接受强度约为 50 GPa（即 50,000 MPa，超过 490 个大气压），因此钢缆或当今地球上用于电梯的任何电缆都不够坚固。

另一种可能是答案的新研究材料是单晶石墨烯。 与碳纳米管一样，单晶石墨烯是目前正在研究的能够承受极端张力要求的材料之一，主要是因为它是一种二维材料，厚度约为一个分子（有时称为“宏观分子”）。 因此，即使对于许多公里的长度，它的重量也几乎可以忽略不计。 这些材料片已被成功研究为高度耐用、坚固和抗疲劳，现在正在以越来越长的长度和制造速度进行测试——目前测试的抗拉强度为 2 GPa。

6.4 自主维护

由于太空电梯将暴露在恶劣的太空环境中，包括辐射和小型太空碎片影响（即从小型流星体到绕地球轨道运行的人造太空垃圾），拥有智能、快速的系统至关重要以及整个结构的自主维护机制和其他保护措施，当然包括电缆（系绳），还包括汽车（登山者）、锚和电源。

不幸的是，众所周知，电梯在其使用寿命期间可能会发生重大安全事故。 当电缆超过 35,800 公里长并且电梯轿厢以极快的速度移动时，紧急安全操作是一项重大挑战，需要在一两天的合理时间范围内完成这段长途旅行。 为了最大限度地降低风险，必须开发有效、快速和自主的维护解决方案，其中包含精心设计的预测性维护。

7. 底线

所有这些以及更多挑战都需要电梯行业解决，电梯行业在安全和垂直运输人员、物资和设备方面拥有数十年的经验，必须在人类新太空时代中占据重要地位。 如果我们等待，我们可能会错过电梯！

我们结合我们的技能，在地球大气层之外发射电梯，进入新的太空时代，欢迎所有希望加入该计划的电梯和太空公司。

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案例

[1] “双空间通道架构——火箭和太空电梯”，Peter Swan 博士，ISEC（国际太空电梯联盟），网络研讨会，2021 年 XNUMX 月。

[2] JSEA（日本太空电梯协会）主页 jsea.jp

[3] BASPEC（巴伐利亚太空电梯挑战赛）主页 baspec.schillergym.de

[4]“太空电梯在太空中进行首次测试”，大卫·格罗斯曼 (David Grossman) 在《大众机械》杂志上发表的一篇文章，2018 年 XNUMX 月， popularmechanics.com/space/satellites/a22985989/space-elevators-getting-first-test-in-space/

[5] NASA 商业太空系列讲座，“石墨烯注入太空工业”，2019 年。 nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/space_portal_nixene_publishing.pdf

[6] “建筑工程与银河港湾”，Michael Fitzgerald，ISEC 首席建筑师兼董事会成员，Galactic Harbour Associates, Inc. 执行副总裁兼联合创始人，2020 年 8 月网络研讨会。

[7] SPACEMATDB - 太空材料数据库。spacematdb.com/spacemat

[8] NASA 的 Arthemis 计划和相关媒体。 nasa.gov/specials/artemis

[9] “太空电梯技术和 Hraphene”，Nixor Ltd. 首席执行官 Adrian Nixon 的采访，2018 年 XNUMX 月。 azom.com/article.aspx?ArticleID=16371

[10] 在准备本文期间，在 2021-2022 年间，我们与以下人员进行了相关会议：

• ISEC 主席 Pete Swan 博士
• Eliad Peretz 博士，NASA 戈达德太空飞行中心新太空任务首席研究员。
• LiftPort Group总裁兼首席战略官Michael Laine先生
• 许多其他与太空和电梯相关的专业人士与我们分享了他们对太空时代电梯的看法。