科技成果

美设计出激光动力太空电梯成功爬升900m

据英国《新科学家》杂志网站2009年11月10日报道,在NASA 出资赞助,美国太空基金会主办的“波束能量挑战”大赛中,一款名为“激光动力自动攀登者”的太空升降车凭借新奇的设计理念和良好的演示效果而一举夺魁。

该项挑战是以高强度光源为动力的太空升降梯研究项目的重要组成部分。太空升降梯的设计构想其实非常简单,就是在地球赤道与数千千米之外的太空之间建立一条缆绳,太空升降梯就顺着这条缆绳来往于太空与地球之间。由于地球引力的作用,这条太空缆绳将总是处于紧张、绷直状态。这样太空升降梯就可以将货物或航天器沿着缆绳送往太空轨道,尽管建造这样一个太空升降梯可能要花费数以十亿计的巨额投资,但是支持者们却认为这样还是比用运载火箭便宜得多。其实,建设这样一个似乎异想天开的工程,不仅仅是金钱问题,首要解决的是技术问题。如何才能为这种太空升降梯提供动力呢?

“激光动力自动攀登者”的设计理念恰好回答了上述关键问题。“激光动力自动攀登者”就是利用来自地面的强激光作为无线动力,沿着缆绳以尽可能快的速度升向太空。当然,“激光动力自动攀登者”必须要通过太阳能电池来吸收地面红外激光器所发出的能量。研究者在爱德华兹升降车沿着缆绳送到了900m 左右的高空。平均速度达到3.9m/s。

尽管太空升降梯仍然只是个相对遥远的梦想,但NASA 似乎对这种无线动力传输技术很感兴趣,这个作品的演示已经证明这项技术是可行的,NASA 希望能够尽早把这种技术投入到某些应用,比如用在月球车上。当月球车开到陨坑的阴影中而太阳光照射不到时,这种无线动力传输正好可以派上用场。已经进一步推动了太空升降梯的研究。

可液态化生产透明绝缘材料有望使显示设备更节能

据《科技日报》2009年11月12日报道,美国材料学家们发现了一种导电化合物——溶解到沉积氧化铝钠的新用途。在经过特定的处理后,这种化合物可被制成绝缘的薄膜,与一般绝缘体不同,其绝缘作用不是通过阻止电流流动而是诱导电流流向他处来实现的。据称,这种特性的材料有望使目前显示设备的厚度和能耗得到大幅缩减。而且,它拥有一些十分实用的特性:可液态化生产意味着,通过模板就可将其轻易而精确地嵌入印刷电路之中,方便规模化生产;而工作电压低意味着,通过模板就可将其轻易而精确地嵌入印刷电路之中,方便规模化生产;而工作电压低意味着,这种薄膜在极低的电压下就可启动,以其制成的显示设备仅用较小电量的电池就可以驱动。

这种透明的薄膜在固体状态时只有100 个原子的厚度,很适合作为日渐流行的电子阅读器等便携设备的屏幕。除此之外,还能被用于制作飞机或汽车上具有显示功能的挡风玻璃。

美国防预先研究计划局研究“捕手手套”清理太空碎片

据spaceflightnow 网站2009年12月12日报道,美国五角大楼研究与开发部门正在研究一个方案:移动轨道上危险的太空碎片。这项研究的名称是“捕手手套”(Catcher's Mitt),旨在开发在技术和经济上具有可行性的方法,将威胁太空任务(包括“国际空间站”和有价值的卫星)的太空垃圾从地球轨道内清理掉。国防预先研究计划局(DA RPA)领导这项“捕手手套”研究工作。

近日,DARPA 和NASA 就这一主题在华盛顿召开了一次会议,约有300 名与会者,其中大约60人发表了见解。来自NASA、ESA、俄罗斯、日本及工业界的代表参加了这次会议。代表们讨论了一些新奇的方案(包括激光、系留、太阳帆),以及捕捉碎片带离常用轨道的方法。有些技术如果能够实施,将会比旧的方案节省成本。

DA RPA 正在为研究搜集信息,包括这次大会,军方和NASA 也在进行独立的应用分析。DARPA试图利用获取的信息来判定这项新计划的投资是否有保障,哪方面以及如何才能取得最大效果。如果证明可行,后续可能启动一个DA RPA 领导的新计划,或者DA RPA 支持美国政府其他机构领导的工作。

美国研制的新型航天服将更加轻便

据《新科学家》杂志2009年11月30日报道,未来宇航员将无需穿戴复杂的航天服,他们将能通过大领口按序穿戴,在很短的时间内穿上局部机械化的航天服。

这种新型航天服正在美国马里兰大学接受测试。一旦宇航员进入这种连体航天服,将通过充气的人造肌肉收缩航天服上端的缺口,确保服贴。这种设计意味着它应该比现有的航天服轻便,并且使太空行走和星际探索中的工作更加有效。

这种新型航天服还包括立体液晶眼镜和头盔内视频屏幕的新型视觉辅助设备。液晶眼镜能够展现真实感增强的图像,例如可以使宇航员看见隐藏在视线外的飞船。

天基太阳能的能量传输方式引发争议

据美国航天网2009年12月报道,太空太阳能的提倡者可能将在不远的未来如愿,因为多个针对到地球的能量传输方案上开始成形。但是仍有太空能源科学家担忧美国的项目前途过于美好、过于太快。

2009年11月底,加利福尼亚州政府计划批准一项为期15年的合同,要求美国Solaren 公司在2016年之前,向太平洋汽油与电力公司(PG&E)提供天基太阳能。日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)也已经组成私人公司研究团队设计太阳能太空站,并计划在21 世纪30年代之前发射。

NASA 设计出新式单人电动隐形飞机

据国外媒体2010年1月21日报道,NASA 设计出一种仅供一个人飞行的电动隐形飞机,它具有超静音和悬停能力,使用碳纤维复合材料,这种电动飞机将改变我们对传统飞机的观念。

据报道,这种电动隐形飞机取名为“海雀”(Puffin),在地面上时,它尾部的四条腿分开作为支架,确保它在地面上时能够以尾部站立。当飞行员准备起飞时,机翼上的襟翼会倾斜,以便使来自螺旋桨产生的空气发生偏离,这样可以确保飞机在起飞前不会发生偏移,也可以防止阵风将其吹倒。之后“海雀”会垂直上升,悬停,俯身后再进行水平飞行,飞行员俯卧的姿势跟滑翔机一样。当着陆时,它的四条弹簧腿将会扩展开来,以支撑这架机身长达3.7m,翼展是4.1m 的飞机。它以碳纤维复合材料制造,机身重量为135kg ,不包括45kg 重的可充电锂电池。

设计理论上“海雀”巡航速度为240km/h,冲击速度则超过480 km/h。它不像气体发动机那样需要喷气,因此没有飞行上限,在空气稀薄的地方它的飞行不会受到限制, 所以它的飞行高度约为9 150m,直到它的能量降低才会迫使其下降。

单人电动隐形飞机

美国研制出的“纸电池”效率可以达到离子电池的10 倍

据国外媒体2009年12月9日报道, 美国加利福尼亚州斯坦福大学的科学家已经成功地把涂上一层银碳纳米材料的纸转变成“纸电池”,这有望成为一种全新的轻型高效蓄能的方法。帮助涂层附着在纸上的同一特性使它附着在单壁碳纳米管和镀银纳米线薄膜上。初步的研究发现,利用硅纳米线制成的电池,效率是现在用来给笔记本电脑等装置供电的锂离子电池的10 倍。并且,“利用成熟的造纸技术,通过把具有传导性的纸作为集电器和电极,可以制成低成本、轻薄和高效的蓄电仪器。”

人们可以利用这种电池为电子仪器或者混合动力车供电。利用这种电池,电子仪器会变得更轻,持续工作时间更长,而且有一天可能会产生纸电子产品。电池的重量和寿命是电力车和货车在商用发展方面遇到的一大障碍。科学家表示,除了便携电子仪器和佩戴式电子仪器可以使用它以外,“我们的纸超级电容器还可应用到所有需要瞬时大功率能量的设备上。由于纸电池和超级电容器的成本很低,它们还适用于并网能量储存。”

超材料纳米镜头在美研制成功

据《科技日报》2010年1月26日报道,美国研究人员开发出一种新型纳米镜头,其打破了衍射极限,从而获得了现有技术尚无法达到的所谓超高分辨率成像。该纳米镜头是由超材料纳米线阵列制成的。

传统镜头利用普通光波来构建物体的影像,摒弃了包含在“易逝”光波中物体的精细、微小细节。因此,像显微镜之类的传统光学系统无法对非常小的、纳米尺寸的物体进行精确成像。利用不同的方法,美国东北大学电子材料研究所所长斯瑞尼瓦斯·斯瑞达教授领导的研究团队,在对纳米线进行组织和包装后设计出了一个新型的镜头。通过对数百万条直径仅为20nm 的纳米线进行精确的调整和布置,研究人员成功控制了光线通过镜头的方式。由于该镜头可以同时利用普通光波和“易逝”光波来构建图像,因此其可描绘出纳米尺寸物体的高分辨率清晰图像。

研究人员表示,这是到目前为止所能实现的最好的超级镜头,是高解析光学成像领域取得的重大进展。该技术可用以提高生物医学成像和光刻技术的能力。目前,研究人员已掌握了量产此种超材料纳米镜头的能力。

液态金属天线可实现自我修复

据《科技日报》2010年1月26日报道,从收音机到手机乃至卫星导航设备,天线在日常生活中无处不在,人们也早已对天线出现故障习以为常。现在,科学家利用液态金属开发出可以像流体一样随意弯曲的天线。这种新型天线不仅能更好地接收信号,反复弯折也不会导致材料“疲劳”,它甚至还具有在外力作用下延展或断裂后自我修复的本领。

在便携式无线通信装置的天线变成隐藏式之后,天线设计也转向了模块式制作,但固态金属有可能因为弯折而断裂。美国北卡罗莱纳州立大学的工程师迈克尔·迪基领导的研究小组希望能够找到一种更有弹性的材料,以取代目前最为常用的传导材料金属铜。他们将目标锁定在室温下比较软的金属和金属合金,最后发现,镓和铟是制作新天线材料的最佳组合。镓铟合金具有天线需要的所有电子特性,弹性也比铜大得多。另外,在室温下,它实际上为液态,因此, 在受损变形时,它是流动的,不会折断。

研究人员将液态天线原型包裹在塑胶基板蚀刻出的微流体通道内进行了测试, 在1 910～1 990MHz频率范围内,液态天线的效率可达到铜天线的90%。而且,这种天线不但能被弯曲扭转成任意形状,甚至可在被截断时自我修复,同时还能维持连续不变的传导性。

虽然镓与铟的“身价”比铜要高,但迪基表示,液态天线是为可携式无线设备设计的,尺寸很小,成本不过几美分。而且,这种新型液态天线可以采用各种各样的外壳包装,应用范围相当广泛。刚硬的“外衣”可以让它更加坚固,而橡胶“外衣”能让它像松紧带一样拉抻。

同传统的固态天线相比,包裹在弹性材料中的液态天线由于具备可根据其接收的无线电波波长来自我调整长度的能力,因此可以产生更好的调谐效果。迪基的研究小组目前已经研制出了这样一种“穿”橡胶外壳的可伸展液态天线,可以作为超高敏感度的应力计用于桥梁和大坝等民用工程。如果将多条液态天线与小型收音机设备相连,然后嵌入桥梁或大坝内,这些天线会随着压力变化而伸缩,可监测建筑结构的安全性。此外,这种液态天线可被嵌入便携式装备,在军事领域也大有用武之地。