日本的“黑科技”令人矚目

彭永清

“太空電梯”

從月球到火星甚至更遠(yuǎn)，人類到底能夠到達宇宙的何處？目前，無論人類將要奔向太空的哪個地方，都少不了運載火箭的幫助。當(dāng)然，這需要花費龐大資金。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，在未來的太空運輸交通系統(tǒng)中，運載火箭或?qū)⒈灰环N更節(jié)能且更安全的技術(shù)所替代，它就是目前日本正在開發(fā)的“太空電梯”。

“太空電梯”最先由俄羅斯科學(xué)家于19世紀(jì)末根據(jù)艾菲爾鐵塔的設(shè)想提出。但因制造太空電梯需要超強材料，長期以來，它只是作為一個科幻般的概念存在。1991年碳納米管的問世，使這一概念變成可能。2007年，日本率先設(shè)立由專家組成的“太空電梯協(xié)會”，對此展開研究。2009年，日本舉辦了由各相關(guān)企業(yè)參加的升降機提升設(shè)計大賽，大林組株式會社提出了一個大膽的設(shè)計——一個可乘坐30人的“太空電梯”。太空電梯可在赤道附近以時速200公里的速度上升，直接到達3.6萬公里高的空間站內(nèi)。這些設(shè)施以太陽能發(fā)電來獲取能源。

按照設(shè)計，太空電梯由兩條電纜控制，長度約9.6萬公里，相當(dāng)于地球到月球距離的四分之一。為使電梯能夠擺脫地球引力爬升至3.6萬公里處的中轉(zhuǎn)站，必須由兩條行程相反的電纜來控制，這樣太空電梯才能進行人員和物資運輸。不過，太空電梯最關(guān)鍵的作用是替代火箭向太空輸送探測器和飛船。與火箭發(fā)射飛船需要擺脫地球引力的速度不同，由于太空電梯的中轉(zhuǎn)站和電纜與同步衛(wèi)星一樣繞地球轉(zhuǎn)動，因此只要將飛船運送至中轉(zhuǎn)站后放出，飛船就可以像被投出去的鏈球一樣獲得擺脫地球引力的速度。有估算稱，太空電梯運送和釋放飛船的成本要比火箭減少兩位數(shù)，這對于未來有效解決火箭發(fā)射高成本這一太空開發(fā)領(lǐng)域的瓶頸顯然是非常有利的。目前，用來向太空輸送物資和宇航員的運載火箭存在許多問題，其中最主要的是對地球環(huán)境造成影響：以固體燃料為動力源的火箭發(fā)射時排放出的氯氣會與臭氧層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并有可能令臭氧層變得稀薄。另外，火箭的有效載荷也只有其自重的百分之幾，作為一種運輸手段來說效率非常低。而且火箭發(fā)射易受天氣影響，在向太空輸送物資時，往往要選擇好天氣。太空電梯就不同了：升降機不僅在下降時可以回收利用上升過程中所用能量，而且還可以借助外部能源加速，因此它在向太空運送物資等的效率遠(yuǎn)比火箭高；同時它不太受天氣影響，可以在大多數(shù)天氣狀況下運送物資。日本航空宇宙學(xué)會軌道電梯研討委員會委員青木義田教授稱，隨著今后太空垃圾不斷增多，火箭發(fā)射將變得越來越困難；而使用太空電梯不僅可以在地球同步軌道或更高處釋放衛(wèi)星，還有望用于建造宇宙太陽能發(fā)電站所需物資和人員的運送等。

大致估算，太空電梯中轉(zhuǎn)站和電纜的造價約為10萬億日元，相當(dāng)于建造一條磁懸浮干線的費用。因此，一旦太空電梯的優(yōu)點被廣泛認(rèn)知，完全可以進行實際操作。不過，據(jù)估計電纜從設(shè)計到施工需要約20年時間，其中將電纜運送到地球同步軌道并安裝兩條行程相反的電纜需要約1年，剩下19年是逐漸將電纜加粗。制造電纜的材料將使用比鐵輕的強力碳納米管。最初用火箭將長約9.6萬公里、最大橫截面為48毫米、厚度為0.004毫米、重達20噸的電纜送入地球靜止軌道，之后升降機在沿電纜爬升的同時不斷反復(fù)地將成卷成卷的碳納米管纏繞在電纜上，直到將電纜增至1.38毫米厚為止。這樣的電纜可以承受重達100噸的升降機升降。

日本專家稱，假設(shè)從2030年開始制造電纜，那么太空電梯或?qū)⒃?050年開始啟用。但是，太空電梯不應(yīng)由一國單獨完成并使用，因為這將使該國壟斷太空相關(guān)產(chǎn)業(yè)。所以說，太空電梯構(gòu)想應(yīng)該是一項由世界各國相互協(xié)調(diào)、共同推進的計劃。

不過，目前太空電梯的制造技術(shù)尚不成熟，其中最重要的就是電纜。要制造超級長度的電纜，需要使用CNT 結(jié)晶，但現(xiàn)有的技術(shù)只能將CNT制成最薄的3厘米，而需要掌握防止電纜受到隕石、太空垃圾及射線傷害的技術(shù)。升降機如果要沿著電纜爬升，就目前技術(shù)看只有采用多個滑輪自行移動來實現(xiàn)，但人類尚未掌握為爬升數(shù)萬公里的升降機提供無線電力的技術(shù)，因此需要加緊研發(fā)。

對于人類而言，地球正變得越來越狹小。有預(yù)測稱，到2050年全球人口將突破90億，人類屆時在太空尋找居住場所或旅行將不再是科學(xué)幻想。為實現(xiàn)太空電梯這一宏偉目標(biāo)，日本“太空電梯協(xié)會”正在積極展開活動，其中最為獨特的是太空電梯技術(shù)競賽。在2012年的第4屆挑戰(zhàn)賽中，日本大學(xué)入江研究室研制的升降機在16個比賽隊中脫穎而出，創(chuàng)下了爬升780米的紀(jì)錄，同時還創(chuàng)下了54公里的平均上升速度和105公里的瞬間最快上升速度紀(jì)錄。雖然這一挑戰(zhàn)賽所使用的升降機并不能成為真正的太空電梯，但通過競賽掌握的技術(shù)和經(jīng)驗將為今后太空電梯的制造提供幫助，實現(xiàn)人類真正的太空游。

機器人酒店

在日本長崎縣佐世保市休閑度假主題公園豪斯登堡，開有日本首家機器人酒店——奇異酒店。這家于2015年7月正式營業(yè)的酒店不單單是一家“機器人娛樂酒店”，其經(jīng)營成本也因機器人而大幅減少。

客人一進入酒店，就會有三個機器人上前迎接——兩個恐龍機器人和一個年輕女性模樣的機器人負(fù)責(zé)為客人辦理入住登記。不僅如此，這三個機器人還能流利地說日語、英語、漢語和韓語。入住客人在酒店前臺的液晶屏幕上選擇自己使用的語言后，機器人馬上就會用這種語言與客人交流。通常，入住酒店的都是事先預(yù)約好的客人，機器人在為客人辦理入住手續(xù)時只需將客人證件或護照與預(yù)約名單上的內(nèi)容進行對照，確認(rèn)無誤后即可給客人辦理。在酒店前臺，還有專門負(fù)責(zé)搬運客人行李的機器人?？腿宿k完入住手續(xù)后，只要在負(fù)責(zé)搬運行李的機器人身上的顯示器上輸入房號，機器人就會從地板下面預(yù)埋的芯片中讀取信息，并自動將行李送至指定房間。不過，搬運機器人最多只能搬運30公斤的行李，超過這一重量的行李則由酒店工作人員負(fù)責(zé)搬運。

酒店里的機器人會根據(jù)客人的步行速度來調(diào)節(jié)它自己的行走速度。如果前面有客人經(jīng)過，或者行走時碰到客人后腳跟，機器人會自動停下。不過，因機器人怕淋雨，搬運行李時通常不會離開前臺到另外一棟建筑的客房去。在客房內(nèi)，有專門的機器人陪客人聊天，同時負(fù)責(zé)打掃窗戶?；▓@里還有割草機器人，每天都將草坪打理得整整齊齊。

奇異酒店共有144間客房，包括臨時加床最多可入住488名客人。如此規(guī)模的普通酒店至少需要30至35名服務(wù)員。但奇異酒店總共只有7名服務(wù)員，因為有輪休，所以每天實際只有5名服務(wù)員在上班。不過，酒店并不負(fù)責(zé)客房清掃、疊被褥和提供早餐，需由旅客事先打招呼，再由酒店負(fù)責(zé)向業(yè)者預(yù)定相關(guān)服務(wù)，費用則加在房租內(nèi)。客人在預(yù)定房間時需付清房租，每人每天的房租約為1萬日元。另外，酒店不向客人提供酒水飲料，客人如需要可在自動售貨機上購買。由于沒有額外費用，客人退房時也沒有前臺服務(wù)員接待，只有機器人負(fù)責(zé)辦理手續(xù)。

除了提供住宿外，奇異酒店還推出了機器人展示活動。酒店剛開業(yè)時，展示了6個種類的82個機器人，目前已增至25個種類214個機器人。一些在酒店前臺展示的機器人還可對外銷售。購買機器人的大都是入住酒店的客人，他們購買的多是專門清掃窗戶的機器人。據(jù)稱，市面上一個窗戶清掃機器人的價格為5.48萬日元，而在奇異酒店購買可以打折。

其實，當(dāng)初奇異酒店開張時也遇到不小的困難，如機器人對客人的語音識別和語音輸入系統(tǒng)不夠完善，遭到許多客人抱怨?，F(xiàn)在，機器人服務(wù)員不僅能夠完全識別客人語音，而且服務(wù)也很體貼周到，就連小孩子的聲音也能夠識別，還能與孩子們對話。奇異酒店正準(zhǔn)備開一家“機器人酒吧”，讓客人品嘗到由機器人調(diào)配出來的雞尾酒；同時增設(shè)“機器人歌手”，與客人一起K歌。

人造流星雨

據(jù)日本《AERA》雜志報道，日本正著手推進太空風(fēng)險投資，其中就包括實現(xiàn)“人造流星雨”技術(shù)這一項目。2018年3月在東京召開的“宇宙研討會”上，日本太空創(chuàng)業(yè)公司ALE公司總裁岡島禮奈談及初衷時稱，希望能在適時適地邊喝啤酒邊看流星劃過夜空，并計劃在2020年東京奧運會開幕時用人造流星雨來為這一國際賽事添光增彩。

2013年，岡島與公司研究人員一起成功制作出可用肉眼觀察“流星”，并且確立了藍(lán)、綠、橙的發(fā)光技術(shù)。岡島說，積累起來的人造流星雨技術(shù)不僅可以用于娛樂和商業(yè)，而且可用來揭開自然界隕石和流星的機理。

通常，地球上空50至80公里處的小石塊在進入大氣層時燃燒會出現(xiàn)流星現(xiàn)象。而ALE公司計劃兩年內(nèi)發(fā)射搭載人造流星群的小型人造衛(wèi)星至地面上空500公里軌道，并通過這個如小型透明箱子的人造衛(wèi)星將其內(nèi)裝滿的約1000顆直徑為1—2厘米彈珠大小的金屬球釋放到大氣中。當(dāng)金屬球粒子以時速約2.8萬公里的速度飛速下落并繞地球軌道飛行約三分之一周時，會一邊燃燒一邊像彗星一樣發(fā)出耀眼的光。

據(jù)ALE宣傳負(fù)責(zé)人稱，該公司所使用的金屬粒子將比自然流星群中的塵埃粒子更大，因此燃燒時間也更長，且光柱和明亮度也要超過自然流星。另外，由于劃過夜空的速度比自然流星慢，這樣也進一步延長了燃燒時間。該公司還考慮通過不同種類的金屬粒子來制作出如焰火般的色彩，讓流星群在空中劃出一道道彩虹，把夜空裝點得更加璀璨。

該名為“Sky Canvas”的計劃無疑具有娛樂和商業(yè)方面的價值，不僅如此，岡島稱“人造流星”技術(shù)或能在科學(xué)領(lǐng)域作出貢獻。在空中釋放已知成分和速度的粒子，并讓它們進入地球大氣層的計劃，是為了獲取詳細(xì)數(shù)據(jù)，以供在出現(xiàn)失去功能的衛(wèi)星和太空中的火箭碎片等太空垃圾突入大氣層的情況時使用。不過，美國亞利桑那州大學(xué)宇宙物體行為科學(xué)項目負(fù)責(zé)人、熟知太空垃圾問題的莫里弗·賈對此表示懷疑，尤其擔(dān)心流星粒子意外地與衛(wèi)星相撞，反而會使太空垃圾增加。ALE也在就此問題研究必要的預(yù)防手段，即開發(fā)專用的報警系統(tǒng)。另據(jù)該公司提示的模擬實驗結(jié)果稱，即便人造流星未采取安全措施，與人造衛(wèi)星相撞的概率也只有1億分之一。因此，如果ALE公司能夠確保人造流星群的安全性，就有可能將此計劃變成現(xiàn)實。

即便如此，“人造流星雨”的費用也遠(yuǎn)不是家庭成員過生日那樣簡單。據(jù)法新社報道稱，ALE制造一顆人造流星粒子的費用約需100日元，且還不包括發(fā)射人造衛(wèi)星的費用在內(nèi)。因此，人造流星群的制作費可謂不菲。不過，由于ALE公司的計劃是通過大衛(wèi)星“順帶”裝有金屬彈珠的小衛(wèi)星的方式，即將四方形小衛(wèi)星置于大衛(wèi)星剩余空間的方式，因此發(fā)射成本可以大大降低。對于“小衛(wèi)星在流星粒子燃燒后可能會在太空中成為垃圾”的疑問，ALE公司表示，人造衛(wèi)星在完成計劃數(shù)個月（自發(fā)射起約2年）后會在大氣層燃盡，不會成為太空垃圾。

2019年1月18日，ALE公司成功將7顆人造衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，其中最令人矚目的是一顆可制造流星雨的衛(wèi)星。預(yù)計2020年將首次上演人造流星雨，屆時人們就可以欣賞到美麗絢爛的景象了。

人造流星雨計劃，其商業(yè)目的是為那些想要隨時隨地看見流星雨的人提供定位服務(wù)。例如，在主題公園的集會中，當(dāng)主持人手臂一揮，天空中馬上出現(xiàn)熠熠奪目的流星雨；當(dāng)然還可以在舉辦太空婚禮或葬禮時派上用場。

目前，ALE公司已經(jīng)制造完成了釋放流星粒子的機械原型1號機，該機械釋放的流星粒子在太空中發(fā)出的光亮只在城市上空可以肉眼看見，但該公司表示，一年后光的亮度可以大大提高，使更遠(yuǎn)地方的觀者都可以看到。此外，公司還在研究制作流星文字和圖形，以及可以讓人在欣賞過程中許下三個愿望的長時間流星雨。