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太空电梯,太空电梯了解一下

文章作者:外国军情 上传时间:2019-05-06

  据CNET报道,日本科学家将对太空电梯概念进行首次试验。这一理念最早来自20世纪70年代,由著名的火箭科学家齐奥尔科夫斯基提出。

原标题:地产公司打科学广告 此"太空电梯"非彼"太空电梯"!

原标题:日本测试“太空电梯” 太空旅行有多远?

原标题:一键升天!太空电梯了解一下

美国首次向国际空间站发射商业飞船

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出品:科普中国

黑科技!日本将测试迷你太空电梯 直接到太空!

我们的征途是星辰大海。

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  这项试验将在2018年9月11日举行。试验内容为:从日本的种子岛太空中心向国际空间站发送两颗尺寸约为10×10×10厘米的超小型卫星,两颗卫星之间由10米长的钢绳链接,在钢绳上装有一个形似电梯的箱子。这两颗卫星在到达国际空间站后将被放入太空,日本的研究人员将尝试使用电机来移动钢绳上的箱子,用以模拟太空电梯的工作原理。

制作:太空精酿

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从明朝时将自己绑在火箭椅上试图上天,却不幸在火箭爆炸中献出生命的万户,到 1903 年寒冬里乘坐自制飞机在空中飞行了 12 秒 36.5 米的莱特兄弟......古往今来,人类对头顶深邃的天空从未停止过好奇与向往。

太空电梯,太空电梯了解一下。美国太空探索技术公司5月22日凌晨向国际空间站发射“龙”飞船,这是世界第一艘向空间站发射的商业飞船。

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监制:中国科学院计算机网络信息中心

新京报讯 搭乘电梯直通太空,听起来像是科幻小说的情节,但是日本科学家正努力将此变为现实。本月日本将进行迷你版太空电梯实验,这将是世界首个测试电梯在太空中运动的实验。日本科研团队的目标是2050年建成太空电梯,届时将乘客带到3.6万千米的高空旅行。

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美国航天局的电视直播显示,当地时间3时44分(北京时间15时44分),搭载“龙”飞船的“猎鹰9”号火箭从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地升空。这次发射原计划在2月进行,但因技术故障以及飞行软件额外测试数次推迟。最近一次推迟发生在19日清晨,当时“猎鹰9”号火箭一个引擎的气压过高导致发射在最后一秒钟流产。

  未来,太空电梯的一端将保持在地球表面,另一端则将被固定在相对于地球是静止的国际空间站上。如果这项技术可以发挥作用,那么将大大降低向空间站运输货物的成本。如今火箭或航天飞机运送每公斤载荷需花费近22000美元,而太空升降机运送每公斤载荷只需约200美元。不光是货物运输,太空升降机也可以搭载乘客升入太空,使人们实现“站”在太空中欣赏宇宙美景的愿望。

9月14日,日本宇宙航空研发机构JAXA将在种子岛太空中心用H-IIB火箭发射第七艘前往国际空间站的货运飞船HTV-7,这是现役世界第一重的货运飞船,可达16.5吨。不过显然它并没有多少读者注意,反而被一个"世界首个太空电梯即将发射"的新闻抢了头条,国内外的小媒体上到处都是。

用碳纳米管制作缆绳连接地面和太空

当然,随着苏联宇航员加加林在 1961 年 4 月 12 日首次代表人类飞向了太空,以及此后越来越多的火箭和人类踏足太空,今天的人类似乎对此也习以为常了。

如果一切顺利,“龙”飞船此行将是首次由私营企业的飞船向空间站运送补给。不过,美国航天局和太空探索技术公司均对“龙”飞船此行持谨慎态度。

  目前该项目的承包商是日本大林组建筑公司,他们已经提出了自己雄心勃勃的计划。根据其理念,太空升降机可以把人抬高至9.6万公里,直接进入太空。每个电梯厢将由6个长约18米宽约7.3米的胶囊组成,可以容纳30人。

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据日媒《每日新闻》报道,日本静冈大学工学部的科研团队与日本建设公司大林组合作开发了迷你版太空电梯,将视天气情况在本月进行实验。负责研发的日本静冈大学教授能见公博表示,实验将用一段10米长的钢制缆绳,连接2颗边长为10厘米的小型立方体卫星。这2颗卫星将搭乘H2B火箭7号机从鹿儿岛县种子岛宇宙中心前往国际空间站。在缆绳上,研究人员将尝试利用电机驱动一个模拟电梯升降舱的盒子,使其在缆绳上来回移动。安装在卫星上的照相机将会记录,盒子如何在实际的宇宙空间中移动,以此测试太空电梯模型的可行性。静冈大学的研发团队表示,虽然是迷你版太空电梯实验,但如果能够在宇宙空间确认运行情况,将会成为实现构想的第一步。

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航天局商业飞行研发项目代理主任菲尔:麦卡利斯特说:“这只是一次测试飞行,航天局将此视为学习机会。”太空探索技术公司21日说:“演示飞行具有高风险,其目的是确定并解决潜在问题,此次任务任何方面的不成功都将使公司学到经验并再次尝试发射。”

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铺天盖地的新闻

参与太空电梯实验的日本建设公司大林组还在单独推进研发工作。据大林组公司网站介绍,他们构想用碳纳米管制作缆绳,6组升降电梯依靠电动机在其上运行,升降舱将建成直径为7.2米的鸡蛋状,可承载30人。电梯从地面出发,预计8天到达空间站。该公司评估这一套太空电梯系统大约需要20年的建造时间,耗价约10万亿日元。大林组的太空电梯研发组负责人石川洋二接受《朝日新闻》采访时表示:“太空电梯从理论上来说可以实现。未来,太空旅行将盛行。”

但是对于绝大多数的普通大众来说,今天太空仍旧是个只能抬头仰望的地方,原因无二,高昂的火箭发射成本使得上天这件事只能被用于科学研究或者是成为少数富人的玩物。

“龙”飞船高约6.1米,直径约3.7米,此行携带近500公斤货物,主要是食品和衣服等,一旦任务失败,损失也不至于太大。它计划于24日接近空间站并进行一系列轨道机动及设备检测,以确认其通信和导航系统处于可控状态。欧洲和日本货运飞船首次与空间站对接前也要经历类似“标准程序”。

  然而,目前这一计划中还存在着诸多技术问题和风险。比如:由于地球自转的原因,升降机在上升时需要极高动力。除此之外,链接地球与空间站之间的缆绳必须是特殊材料制成,并可承受宇宙射线的辐射。此项目除了将花费巨大资金之外,一旦出现事故,将给空中和地面带来惊人的损失。

太空电梯是个很完美的科幻概念,早在人类火箭之父齐奥尔科夫斯基年代他就已经提出了这个美好的设想:普通人能像乘坐电梯一样,借助一根连接天地的绳缆,自由且低成本往返太空。

太空电梯将大大节约太空运输成本

即使是目前马斯克的 SpaceX「猎鹰 9 号」(Falcon 9)因为其可回收利用的特性而能将火箭发射成本控制在平均 6200 万美元(约合 4.25 亿元人民币),这样的高价依然不是普通人能承受得起的。

如果通过测试,美国航天局将下达对接指令,空间站两名宇航员25日将操纵机械臂捕获“龙”飞船并实施对接。按计划,“龙”将与空间站对接约两周,随后将承载约600多公斤载荷返回地球,落入太平洋海域。此次任务成功后,太空探索技术公司预计将从航天局获得价值16亿美元的合同,向空间站发射12次货运飞船。

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太空电梯的想法最早由俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基于1895年提出,他提议在地球静止轨道上建设一个太空城堡,用一根缆绳将地面与城堡相连,以此实现太空运输。1979年英国作家阿瑟·克拉克将这个概念写入了科幻小说《天堂的喷泉》,引起了公众的广泛关注。在科幻作家刘慈欣的作品《三体》中,也有关于太空电梯的描述。其实太空电梯的基本原理就是,用一条长缆绳,其一端固定在地球上,另一端固定在地球静止轨道(距离地面约3.6万千米)上运行的航天器或者空间站上,在引力和向心加速度的相互作用下,缆绳会绷紧,一个类似于电梯的升降舱在缆绳两端上下运动。

图片 10▲猎鹰 9 号海上回收

太空探索技术公司2010年成功试射“猎鹰9”号火箭,并将“龙”飞船的模型送至相应轨道,由此成为首个将试验飞船送入近地轨道并控制其返回的私营企业。

美好的太空电梯想象图

本世纪初,随着新材料的不断出现,太空电梯的构想不再那么遥不可及,来自美国、日本、俄罗斯等各国的科学家纷纷开始探索,因为一旦建成将大大节约太空运输成本。日本是最积极的国家之一,10年前就集结了各路专家组成“日本太空电梯协会”,对此展开研究。2013年,日本教授青木义男试制的“登山者”电梯在富士山山麓进行实验,电梯成功升到了地上1200米的高度。但由于日本法律的限制,不可进行更高海拔高度的测试。日本太空电梯协会会长大野修一认为,太空电梯将是人类探索太空资源的必要工具。

不过据日本《每日新闻》报道,来自日本静冈大学工程学院的研究团队将在日本种子岛宇宙中心发射两颗小型卫星,并计划在两颗卫星之间长 10 米的线缆间进行测试,为之后能大幅削减人员、物资上天成本的「太空电梯」进行验证。

根据设计,“龙”经改装后还可运送宇航员。美国航天飞机去年退役后,向国际空间站运送人员和货物的“重担”都落到了俄罗斯肩上。目前,美国航天局鼓励私营企业开发往返国际空间站的“太空巴士”,太空探索技术公司等4家企业在竞争这一项目。

报道中提到的所谓太空电梯到底是什么?

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《三体》真的要来了么?

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它的全称是空间系留自主机器人卫星-迷你电梯(Space Tethered Autonomous Robotic Satellite - Miniature Elevator,STARS-Me),这已经是STARS实验系列卫星第四次任务。迷你电梯其实是个昵称,它真正的功能并非如此,真相如下。

太空电梯比火箭有何优势?

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  1. HTV夹带的货物

人类现在进入外太空只能依靠火箭运输,不仅运输成本高昂,而且会对地球环境造成影响。据彭博社,目前的国际商业卫星发射中,每千克荷载的运输成本约2.5万-4万美元之间。日本建设公司大林组预估,太空电梯建成后,每千克荷载的运输成本约为200美元。

真·天梯

事实上,在 1895 年,苏联的火箭科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基受巴黎的埃菲尔铁塔启发,便提出了可以在地球静止轨道(地球赤道上空 35786 公里,在这个轨道上的航天器绕地一周的时间与地球自转时间相同)上建设一座通天塔,并通过缆绳和地面相连。

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在过去的 100 多年中,这样的整体设计思路也没发生什么大的变化。

与船舶和海洋里的钻井平台一样,整个太空电梯装置在地面设有一个巨大的锚用于固定整个电梯的位置。而在太空里的另一端,则是一个用来提供拉力,将整个线缆绷紧的配重装置。至于在中间的,就是用来承载太空电梯上下运行的线缆了。

而在整个装置部署之后,乘客及货物可以搭乘电梯以每小时 200 公里的速度沿着线缆上天,整个行程大约为一周。

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至于这样的太空电梯建成之后的好处,自然也就是上文中提到的可以压缩运输成本。据预计,使用太空电梯在地球和太空间往返的运输成本将从目前「猎鹰 9 号」的每公斤约 7000 美元下降至约 200 美元(约合 1370 元人民币)。而更低的成本则意味着在太空里更大的想象空间。

6 月 27 日,历经 4 年,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)的「隼鸟 2 号」探测器抵达了目标小行星「龙宫」附近,并将在进行 1 年多的观测和采集样本之后于 2020 年返回地球。

图片 14▲隼鸟 2 号

事实上,日本采集小行星样本的计划也只是全球各航天大国小行星采矿计划中的一部分。

去年,我国就公布了建设小行星基地的计划,并计划在 2020~2025 年间将机器人或宇航员送到小行星上,并将矿产带回地球;美国的 NASA 也计划于 2022 年发射飞行器前往「灵神星」小行星,值得一提的是,「灵神星」上的铁资源价值超过 1000 亿亿美元。

而如果太空电梯建成,它无疑将成为外星矿产与地球之间、人类与浩瀚的宇宙之间绝佳的中转站。

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不过问题来了,既然这样的太空电梯能带来这么多好处,那为何在这个概念被提出的 100 多年后的今天,它仍然还处在测试验证阶段呢?

日本已经执行了六次国际空间站的货运任务、且JAXA拥有国际空间站上希望号实验舱、储藏舱、扩展实验舱和机械臂。HTV可以运送重达6.2吨的货物,远超国际空间站货运主力进步号的2.4吨,在执行基本任务需求时夹带一些其他货物也是常态。本次HTV-7任务就额外携带了STARS-Me,SPATIUM-I和RSP-00三个技术验证卫星。

中国航天科工集团第二研究院研究员、国际宇航联空间运输委员会秘书长杨宇光说,如果太空电梯建造成功,意义绝对不局限于太空观光旅游。首先,人类现在进入太空最大的障碍就是成本过高,太空电梯能近乎百倍地降低费用。这样的话,人类可以把大量的物资运入太空。其次,太空电梯更加安全。火箭必须要以极高的速度进入太空,面对的环境极其恶劣,而且对宇航员来说也非常危险。如果搭乘太空电梯,可以非常平稳地进入太空。

创业未半而中道崩殂?

这样一部太空电梯之所以迟迟造不出来,最大的原因莫过于线缆的材料了。

全长 30000 多公里,这样长度与重量给线缆带来的强度和轻质上的要求必然是在人类历史上从未有过的,此前研究太空电梯的科学家也均表示制造线缆的材料在地球上不存在。

随着材料科学的发展,现在看来碳纳米管似乎是一个可行的方案,不过目前的技术也只能造出零点几米的碳纳米管,更不用说用在从地面直达太空不能有一丁点瑕疵的超级工程了。

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此外,假设在未来符合强度、重量标准的线缆被制造出来了,它在使用过程中还需要能抵御低层大气的大风、雷电、暴雨以及高层空间的辐射、太空垃圾等等。一旦线缆在低层断裂,整个上层的装置将像气球一样飞向太空;而若线缆在高层断裂,地球将拽着整条 30000 多公里的线缆四处乱甩,造成的后果也是可想而知的。

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当然,除了目前的材料还满足以及太空电梯本身不能出任何故障的缺点,太空电梯的竞争对手火箭也在迎头追上。

上文中提到目前「猎鹰 9 号」的发射成本大概约为每公斤 7000 美元,相较每公斤 200 美元的太空电梯来说确实还有不少差距,不过相较于不可回收的火箭每公斤约 20000 美元的成本,「猎鹰 9 号」已经有了长足进步,而且未来的发展也值得期待,更不用说火箭拥有更强的环境适应能力以及更快的速度。

图片 18▲一周上天还是有点久

只能说,距离太空电梯真正到来的那一天或许还有些遥远。

  1. 系留卫星

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Geek君有话说

古往今来,正是因为人类始终怀有「欲与天空试比高」的情怀才有了今天一艘艘突破大气飞向宇宙的飞船。无论这次日本进行的这次小型太空电梯测试能不能成功,或者最终版的太空电梯能不能投入使用,它们都同万户、莱特兄弟一样,是人类想象力、好奇心的结晶,为人类的航空航天事业带来了些许不同。

梦想还是要有的,万一未来按个键就能上天了呢?

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STARS系列任务都用来验证一种空间应用的技术:系留卫星,或者系绳卫星。它的原理是通过用绳缆从母卫星释放一颗子卫星、或者双星进行伴飞,能自由释放、收回并重复使用,实现各种科学和工程研究目标,先后有香川大学、静冈大学等参与。

建造太空电梯有何难点?

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太空电梯概念提出已有100多年,至今仍未实现,这个项目在实际操作中究竟存在多大的困难?据世界科技研究新闻资讯网(PHYS.org),太空电梯的重要组成部分是缆绳,而缆绳的材质问题是建造过程中首先遇到的障碍。虽然碳纳米管的诞生带给科学家很大的希望,它的强度是钢铁的20多倍,但是目前制作碳纳米管的技术还比较差。

STARS-Me任务艺术构想图

天体物理学博士、科普作家孙正凡表示,建造太空电梯在材料、动力、维护、成本等方面都存在困难。我们现在对材料有各种设想,包括碳纳米管,但是如何把这些材料打造成符合太空电梯长度、强度、重量比要求的缆绳,还是个未知数。日本进行迷你版太空电梯实验,可以通过检验这个模型来考察理论与实际存在多大的差距。短期内还无法实现构想,但是科学技术的突破是无法预见的,必须一步一步地进行可行性实验。

STARS的特色在于低成本的微小卫星编队:两颗微小、犹如魔方大小(10厘米边长的1U立方形)的卫星通过一根约10米的细钢缆相连。这次的-Me任务之所以叫做迷你电梯,是因为钢缆上还将有一个小滑块可以在钢缆上移动,视觉上有一种"电梯"的效果,因而得名,但可以确定的是这跟太空电梯的理念毫无关系。

杨宇光表示,除了材料之外,太空电梯建造过程中还需要考虑如何躲避太空碎片的问题,以及可能会有其他卫星撞上来,最终可能会发生电梯被撞断裂的情况。另外,地球的转动并不是完全规则的,因此太空电梯随之运转的过程中可能遇到各种问题。

  1. 到底是做什么的?

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STARS-Me任务由静冈大学主要负责研发。毕竟只是两个卫星加一起几千克的极小任务,它的真实作用还是基本的技术验证和教育教学,主要关于通过无线电信号接收辅助判断卫星状态:两颗卫星都能直接与地面通信,它们之间的距离和姿态会导致信号接收出现细微的偏差,在地面的接收站可以通过两股信号的多普勒频移、比特率、信噪比对比等反推这个小型编队的姿态和距离信息。

实现太空电梯还要多久?

中间的"电梯厢"(6*3*3厘米尺寸,比鸡蛋还小)带有蓝牙功能,能够通过其中一颗卫星与地面通信,也会出现在两颗卫星的互拍中。它也能够在绳缆上缓慢移动,作为测试任务的额外标的,也能验证双星 滑块的技术可行性,从这个角度的确是世界首例,但它的更科学叫法应该叫做滑块。整体上这个任务只是个实验验证性质的小型任务,跟大家想象中的"黑科技"相距甚远。

日本科研团队进行太空电梯的实验备受瞩目,很多人甚至开始幻想乘坐电梯进行太空观光的场景。不过,以目前的进展,太空电梯究竟什么时候可以实现?

  1. 宣传作用

杨宇光表示,日本科学家目前所做的实验只能说是和太空电梯的相关技术沾边,距离真正实现还很遥远。因为人类目前还没有找到在工程上可行的方案。如果未来某一天有革命性技术出现,开发出了新的材料,它的强度比碳纳米管还要高上万倍,那么建造太空电梯就比较容易了,但是现在无法预见。也有人提出在其他星球建造太空电梯,这也是有可能的,但是现在所有的研究都是一种概念研究,完全贴近工程的研究还没有。

毫无疑问,太空电梯是个大大的噱头,引发了全世界关注,也引出了每个新闻稿里都会出现的大林组建设公司。作为日本最大的房地产企业,大林组造了无数日本的摩天大楼,太空电梯概念一直以来是他们宣传的重要方向。部分资助这么一个大学里的小型科研项目并不昂贵,却收获到了万千读者的关注,可谓是一次成功的品牌曝光。

杨宇光指出,即使无法实现3.6万千米的太空电梯,如果能够在地面建造一座一二百公里高的高塔,也是非常有意义的。因为从地面运送物体去太空需要穿过大气层,这个过程复杂且代价高昂,如果火箭不从地面起飞,而是通过高塔上升到百公里的高度起飞,不仅节省燃料,而且起飞的环境也改善了,那样就变成了真空环境。建造这样一座高塔相比于太空电梯来说更容易,但是目前还实现不了。

因而,本次报道"太空电梯"大新闻的媒体,大概像把壁虎吹作剑齿虎一样。。。

本版采写/新京报记者 陈沁涵返回搜狐,查看更多

那么,太空电梯到底可行么?

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太空电梯概念图

直接说答案好了:不可行。随便举出十个原因反驳:

1. 太空电梯必须将重心放在地球同步轨道上,否则就无法相对地表稳定,这里是绝大多数通讯卫星所在地:围绕地球自转速度恰好等于地球一天,因而相对地面而言静止或同步。这里的高度是35786千米,是摩天大楼电梯高度的数万倍!

2. 为保证重心在地球同步轨道,在这个轨道外侧(超过地球静止轨道)需要配比一个质量巨大的平衡锤,重量需达到万吨级别。人类目前最强大的火箭仅能运送10-15吨级别载荷到此轨道;

3. 电梯运行期间会受到各种摄动干扰,为保持重心稳定需要对这个巨大的平衡锤进行灵活控制,它的质量已经远超了人类能控制的航天器极限-国际空间站(420吨);

4. 被绷紧的缆绳需要承受巨大的应力,人类现有最强材料碳纳米管有一定应用可能,但它仅是实验室中存在的材料无法量产,科学家们只能制造出极微量的实验品,而花费是天价;

5. 即便是碳纳米管,它的长径比也在1000:1级别(对比普通材料20:1已有极大提升),对比太空电梯的超长缆绳要求依然不够;

6. 不仅强度问题,绳缆不同位置由于重力加速度和围绕地球运动速度不同,受到的切向应力也不大不相同,人类尚无一种灵活的材料能实现这些要求;

7. 地球大气干扰巨大。大气包含对流层、平流层、中间层、电离层等,对流层有风雨雷电,平流层有横向风,中间层有剧烈温度梯度和对流,电离层有高能粒子和磁暴等人类完全未知的空间天气现象。好不容易走出1000千米的传统大气层定义区间,很不幸,仅走完了全程3%左右;

8. 电梯厢并不简单。航天中但凡从无人变成载人,都意味着成本陡增,人是所有航天探索中最脆弱的环节。太空电梯要进入太空,面临复杂的大气环境和宇宙辐射环境,电梯的防护要极端严格,而这无疑需要一个巨大的电梯厢,进而要求增大绳缆的应力、强度、尺寸,形成无解死循环;

9. NASA曾经做过一些预研究,最终全部放弃。谷歌著名的X实验室,曾经研究过太空电梯可行性,最终宣布放弃,因为它的技术难度"远远超过了人类现有技术水平";

10. 人类航天已经愈发成熟,随着可回收运载器和航天器的快速研发,尤其是商业航天的加入,航天成本也在迅速降低,太空电梯最吸引人的"价格优势"并不存在。

以上,别闹了,大家还是老老实实支持可控核聚变这种靠谱的技术吧,改变人类全靠它了(手动滑稽)!

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