電影《流浪地 2》中的太空電梯“女士們先生們，太空梯即將達到失空間站，請做準(zhǔn)備，從右側(cè)門下梯?！薄癓adies and gentlmen, we are approaching space station. Please prepare to get off the elevator. The door will be open at the right side.”如果我說，有一天你將親聽見這樣的播聲，你相信嗎01、太空電梯從何而來20 世紀初，被譽“航天之父“俄國科學(xué)家康坦丁?齊奧爾夫斯基提出過大構(gòu)想：用液作為火箭燃料宇宙空間中反用力是移動的一方法；將兩以上的火箭串起來，組成一多級火箭以提火箭的速度。一百多年后的天，這些設(shè)想都已經(jīng)成為了天領(lǐng)域的重要用?？邓固苟?齊奧爾科夫斯然而，他在 1895 年提出的一個設(shè)想，至今仍未實現(xiàn)這個設(shè)想，其很樸素：他提在地面上建設(shè)座超高高高的塔，一直建到球同步軌道為，在鐵塔內(nèi)架電梯，于是我便可以搭著電進入外太空。代太空電梯概圖這，便是太電梯的雛形。樣的鐵塔結(jié)構(gòu)是不是感覺似相識？實際上這就是齊奧爾夫斯基在參觀國埃菲爾鐵塔受到的啟發(fā)！樣的構(gòu)想，也我們對電梯的知最為接近，是…地球同步道距離我們有 35786000 米，目前世界上最高的義均，是位于迪拜哈利法塔，高卻只有 828 米...? ? ? 這樣一看，似乎太空梯是沒戲了？急！此刻，你是上世紀中葉宇宙學(xué)家，快想想怎么解決個難題！如果時半會兒沒有路的話，先試回答下面這個題：新年第一點擊空白處查答案假如，我你把一只風(fēng)箏到 250 米的高空，除了地面上奔跑，斷放長線繩，風(fēng)箏放飛到空外，還能怎么？你可以坐直機到更高空，風(fēng)箏扔出，慢放線，讓風(fēng)箏達 250 米的半空。不要我為什么要放箏，也不要問風(fēng)箏線會不會，這都不是重 (我才不承認這個類比很不謹)！重點是，逆向思維！同得，我們想要造一座直達外空的電梯，最要的就是需要供繩索軌道，么，既然從地向上建造不現(xiàn)，那我們…能能從太空中 "扔" 下繩索，就像扔風(fēng)箏一？也就是說，們可以先發(fā)射顆地球同步衛(wèi)，然后從衛(wèi)星伸出繩索 "垂" 到地面上，在地面一端固，形成太空電的運行軌道。空電梯理念? (圖源 NASA)哈！這下不用建塔了，需要 " 幾根繩索 " 就行了！正是這樣逆向思維，使太空電梯顯得那么鏡花水月如今的太空電計劃，都是基這個模型。02、大林組太空梯計劃在眾多空電梯計劃中尤其受人矚目，是大林組在 2012 年宣布的太空電梯劃。2012 年 2 月，尤其擅長建高塔日本著名建筑司大林組，宣要投資 100 億美元建設(shè)太空電梯，預(yù)計梯時速 200 公里，單程需要 7 天，計劃 2025 年左右在赤道近的海上開工2050 年左右落成運營。林組官網(wǎng)概念然而，距離計啟動已經(jīng)過去十年之久，前似乎不容樂觀就連大林組公內(nèi)部，一直參太空電梯研發(fā)高級工程師石洋二都坦言：個項目越是嘗，就越是困難首先，不考慮切外部因素，空電梯主要由部分構(gòu)成：電的廂體、廂體下運動所需的繩軌道、用于地球端固定纜的海上基地，及配重。太空梯結(jié)構(gòu)前面三似乎很容易理，但為什么還要配重呢？在剛提到的太空梯設(shè)想中，我要從同步衛(wèi)星 "扔" 下纜繩，一直 "垂" 到地球上，可隨著纜繩逐下放，受到的有引力會大于心力，于是纜會對同步衛(wèi)星生向內(nèi)的拉力那豈不是纜繩著放著，就把本穩(wěn)定的同步星給拽下來了為了解決這個題，我們在向放纜繩的同時也必須向上””東西，產(chǎn)生個向外的拉力以此抵消纜繩衛(wèi)星向內(nèi)的拉。向上”扔”東西必須足夠，能夠把衛(wèi)星穩(wěn)住，我們把稱為配重?？?，新問題又來！纜繩實際并是靜止的狀態(tài)而是在隨著同衛(wèi)星一起高速動，所需的巨向心力可能會過材料的抗拉限，導(dǎo)致纜繩己把自己甩斷我們來深切體一下，太空電對材料抗拉能的要求，到底多苛刻。在地參考系中，將繩簡化成圓柱，密度是 ρ，橫截面是 S，一端固定于地同步衛(wèi)星，另端固定于赤道上基地?？紤]同步衛(wèi)星軌道近的一小段纜，不考慮各種外的載重，它到的拉力可以樣計算：如果們用鋼作為太電梯的纜繩，上式簡化變形代入鋼的密度，可以估算得鋼需要承受的大應(yīng)力至少要到 400 GPa。但實際上，鋼的抗拉強只有 400 MPa！也就是說，即便是用來做纜繩，也直接在強大的力作用下變形至此，我們遇了異常棘手的題：如何找到度小，但抗拉度大的材料？03、太空電梯的纜繩難題目前最有可能滿足述要求的是碳米管：由碳原組成的管狀結(jié)納米材料，這目前已知的理上力學(xué)強度最和韌性最好的料。碳納米管構(gòu)碳納米管的度大約是 1700 kg/㎡，代入上面公計算，得到如用碳納米管做空電梯的纜繩碳納米管的抗強度至少要達 90 GPa。目前，我們夠在實驗中合的碳納米管的拉強度可以達 200 GPa；甚至，對于具有理想結(jié)構(gòu)單壁碳納米管言，其抗拉強可以達到 800 GPa。這樣看來，我們要生產(chǎn)出幾萬里長的碳納米，把它從同步星上 "懸掛" 下來，固定到赤道附近的海基站，問題不迎刃而解了！而，我們探索空電梯的道路注定崎嶇不平1991 年，日本科學(xué)家飯澄男發(fā)現(xiàn)并命了碳納米管，陷入瓶頸的太電梯設(shè)想注入最鮮活的血液許多研究團隊重新拾起了太電梯計劃?？?，大家很快就現(xiàn)，由于制備藝的限制，實能夠制備出的納米管長度只幾毫米，且存大量結(jié)構(gòu)缺陷唉，似乎又走了死胡同…但所謂，沉舟側(cè)千帆過，病樹頭萬木春。2013 年，清華大學(xué)魏飛教授隊，將生長每米長度碳納米的催化劑活性率提高到 99.5% 以上后，成功制備出單根長度超過米，且具有完結(jié)構(gòu)的碳納米。目前，他們在研制長度在米級以上的碳米管。我們的空天梯，似乎迎來了一線曙！04、太空電梯的實際窘境也許已經(jīng)意識了，剛剛討論都是最簡單的理模型，一旦的要考慮項目設(shè)，就需要解很多的實際問。例如，鑒于活中用到的各高壓電線，時久了就會磨損我們很自然地提出這樣的疑：用碳納米管的纜繩，耐久如何？畢竟，果纜繩很容易損，那這電梯便建好了，也白搭。為了檢碳納米管的耐性，日本大林于 2015 年，將碳納米樣品送到了位地表上空 400 公里附近的日本實驗艙內(nèi)日本“希望號實驗艙樣品被置在太空中 2 年后，又被重新帶回地球。究人員分析后現(xiàn)，碳納米管表面，已經(jīng)被子狀態(tài)的氧破。要知道，400 公里高度屬于大氣層中的層，空氣已經(jīng)其稀薄，即便這樣，2 年的時間也已經(jīng)破了碳納米管。以想象，直接露在最低端對層內(nèi)的纜繩，面臨著更加嚴的考驗。除了原子狀態(tài)的氧壞，還需要面各種可能的風(fēng)日曬雨淋，甚可能碰上閃電颶風(fēng)等各種極氣候….提高纜繩耐久性方面研究，顯然又困難重重，但要路沒被堵死我們就不會停探索的步伐。然，除了耐久問題以外，還一大堆難題，等待著我們?nèi)?決…例如，如保證電梯廂體足夠的動力支，可以一直從面升到太空站?如果升到一半時候，太空電的動力系統(tǒng)突失靈，簡直就高空求生驚悚現(xiàn)場，想想都寒而栗。假如梯停在這瞬間...（圖源：流浪地球 2 預(yù)告片）再比如如何讓太空電自動躲避太空片和一些可能上來的衛(wèi)星？旦躲避不及時造成的后果，以想象。真可驗證了那句話太空電梯，越嘗試，越是困。05、我們?yōu)槭裁磮?zhí)著于太電梯這個時候你很可能要問既然建造太空梯這么困難，為什么我們還直執(zhí)著于這看不可能的設(shè)想？因為，我們往星辰大海。咳咳，不扯這，說點實際的目前的國際商衛(wèi)星發(fā)射中，千克載荷的運成本在 2 千－2 萬美元之間。假設(shè)小編要去太空旅行趟，至少需要 10 萬美元。假設(shè)太空電梯以建設(shè)成功，考慮初期建設(shè)本，根據(jù)日本林組的預(yù)估，千克載荷的運成本約為 200 美元！也就是說，小編只要花費 7 萬左右人民幣，可以去太空旅了！建成太空梯后，除了讓空觀光變得觸可及外，我們能夠低成本地地球和太空間輸物資。這，許會成為人類空探索史上，動人心魄的轉(zhuǎn)點！06、有生之年現(xiàn)在，請仰望天空，想一下?？此乒?的每一秒，都親證，歷史的生。有生之年你將看到一座大的天梯，穿遙遠的云層，摧枯拉朽之勢不斷得沖向地，最終橫貫天，艷絕古今。源：流浪地球 2 預(yù)告片想到這兒，我真的淚盈眶。本文自微信公眾號中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：穆勒家保