牧风人分享 http://blog.sciencenet.cn/u/siccashq 一个湘里人的梦,便是风的自由舞步. 言所盼,非盼急出。

博文

加州阳光之五 大都市金字塔-太空电梯-纳米复合材料

已有 5943 次阅读 2008-5-8 03:17 |个人分类:加州阳光|系统分类:科普集锦

大都市金字-太空电梯-纳米复合材料

---------------宏伟的梦想与微观的完美

 

试想一个仿金字塔透明建筑,比胡夫金字塔大十二倍,高达2004米,可以容纳750000人,电梯安置在支撑柱中斜向传送居民和物质,无处不在的太阳能转换薄膜材料为整个建筑提供能量,处于地震带上的日本居民如果居住在这个巨型建筑中将不再担心地面强烈的震动和海啸。这不是一个科幻小说中的建筑,而是美国加利福尼亚州著名现代建筑师Dante N. Bini很严肃地思考出来的一个未来空中楼阁的构想。东京,这座世界上人口密度最大的城市,正在全面考察这个仅存于梦想中的巨型建筑,并将这个项目命名为‘清水TRY2004大都市金字塔.全世界的建筑行业都为这个宏大的建筑激动不已,也许若干年后它将耸立在日本东京湾上彩虹桥边。我觉得Bini同志设想金字塔内的交通系统很有意思,将电梯和轻轨装置在骨架管道之中,而在管道交接的地方便成为一个站。这个站可以用空间矢量坐标来表示,如(1,1,1),(1,2,-1),数字代表空间坐标,正负好代表运行方向,这可真是未来空间交通模式啊。http://www.binisystems.com/pyramid.mov

要实现这个宏伟的梦想,巨型建筑必须使用比传统钢铁更强的材料,这个材料就是碳纳米管。

无独有偶,科学家和工程师们现在还有另外一个宏伟计划制造通往地球静止轨道的太空电梯(Space Elevator)。想象一下在太平洋的中间耸立着一个基地,人类正在将卫星或宇际飞船挂在一个巨大电梯中,红色激光射向电梯的底部,巨型电梯沿着几根黑色的柱子飞速升空,当到达地球静止轨道后卫星脱离。。。这也不是一帮科学疯子想着给地球长几根‘头发’,而是设想一旦成功实现后卫星运行的商业成本将大大降低。美国航空宇宙中心(NASA)也早于1999年就准备启动这项新千年地-空运输系统计划。NASA每年还提供10万美元组织全球范围的竞赛,在youtube网站上可以看到比赛的实况,只要你能够使固定面积的平板高效率地吸收光能驱动载荷上升,或者设计制造出适合太空飞行的高强度轻质材料,去报名吧!从材料学家的眼光来看,项目是否成功的关键因素正在于发展高效率的光电转换材料和轻质高强的太空缆线材料,对于后者,当今科学领域最有可能担当此任的便是碳纳米管增强的复合材料。

碳纳米管虽然已经被证实具有相当可观的力学性能,但是这些仅仅都只是在实验室里观测到,一旦需要有效地运用到工程中,纳米尺度的结构完美必须在宏观上也继续实现。从复合材料的观点来看,有效载荷必须能够通过基体材料施加在碳纳米管增强相上才能够得到发挥作用,要实现这一点必定要牺牲一部分碳纳米管的表面结构完美性从而获得和基体材料间牢固的界面,结构完美性的破坏必然导致力学性能的急剧降低,这也就是当今碳纳米管复合材料难以获得大突破的原因。这也是科学与工程之间的矛盾,虽然科学论文得到了非常好的实验数据,但是能用到工程上能实现一半就非常不错。实用性的不完美并不能阻碍建筑师和航空航天工程师的大胆构想,他们才不管材料科学家的痛苦呢。

所以我比较赞同美国内布拉斯加大学Yuris Dzenis教授的观点纳米增强相只能在微观尺度下发挥作用,比如说用纳米纤维在传统纤维层之间形成Velcro结,起到牵制和能量吸收的作用。加州伯克利大学的Robert O. Ritchie教授也认可这样的假设,但他更强调材料的抗疲劳性和韧性,而不是单纯的提高强度为目的。实际上,现实生活中各种设施如大桥、飞机、轮船等都是使用低强度高韧性的材料,我们人类的牙齿也是自然界中韧性最大的材料。问题是,我们有没有可能把两种材料物理性能(强度和韧性)同时增强起来。

这是材料学家思考和需要解决的工程难题,能否解决这个难题是建筑师Dante N. Bini从梦想中的大都市金字塔走到现实中来的第一步。

 

链接 2006 Space Elevator Competition



 



以上图片均来自于网络,引用请注明。



https://blog.sciencenet.cn/blog-2317-24489.html

上一篇:加州阳光之四 啥事?!
下一篇:加州阳光之六 科学‘吵架’是驱动力
收藏 IP: .*| 热度|

0

发表评论 评论 (8 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2024-3-29 04:32

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部